Страница:
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.
Глава 2 Вселенная Менделеева
Глава 3 Углеродная жизнь
Сажа и бриллианты
Мячи и плоскости
Структура Бутлерова
Глава 2 Вселенная Менделеева
В 1834 году в семье директора Тобольской гимназии родился семнадцатый ребенок, которого назвали Дмитрием. Не удивляйтесь, если увидите разночтения. Во многих биографиях Менделеева указывается, что он был четырнадцатым ребенком, но это как считать. Трое детей умерли сразу после родов Марии Дмитриевны Менделеевой, владелицы небольшой стекольной фабрики. Будущий великий ученый сначала было пошел по стопам отца: после окончания Петербургского педагогического университета работал учителем в Крыму и в Одессе, а потом преподавал химию в Петербургском университете. Но преподавание – это мелочь в его биографии. А как мы знаем, русскому человеку несвойственно размениваться на мелочи. И Менделеев совершил великое открытие – придумал свою Периодическую таблицу.
Об этом не принято говорить, но совершенно ясно, что построить ее на основании имевшихся данных тогда было просто невозможно, открытие Менделеева – гениальная догадка, пусть и пришедшая ему в голову после многолетних раздумий.
Вот перед нами нарисованная самим автором открытия рукописная табличка. К тому времени было известно всего чуть более 60 элементов с их атомными весами (сейчас элементов уже почти вдвое больше). Идея расположить элементы по порядку возрастания их атомных весов совершенно естественна и банальна. Несколько сложнее было заметить периодические закономерности в этом ряду, но и здесь немало было сделано и до Менделеева. Уже существовало “правило октетов” (химические свойства каждого восьмого элемента очень близки), “правило триад” (в каждой тройке близких по свойствам элементов средний элемент обладает и средним атомным весом). Однако никому из исследователей не удавалось, пусть даже с использованием этих закономерностей, построить систему для всех известных элементов. Объяснялось это тем, что и свойства многих элементов были неизвестны или определены неверно, да и атомные веса ряда элементов были измерены неправильно.
Несмотря на свое еще юношеское преклонение перед Ньютоном, автор Периодической системы был великим химиком, а не физиком. Поэтому за основу своей системы он взял химические свойства элементов, решив расположить химически похожие элементы друг под другом, но соблюдая принцип возрастания атомных весов. Ничего не выходит! Бериллий нарушал всю картину уже в первой строчке будущей таблицы – углерод оказался аналогом алюминия, а немного дальше таким аналогом оказывается и титан. И то и другое с точки зрения химических свойств элементов является совершеннейшим нонсенсом. Углерод – типичный неметалл, а что может быть “металличнее” алюминия или титана? Вот тут бы и прекратить поиски периодичности – и ряд крупнейших ученых того времени так и поступили.
Говорят, что Периодическая таблица приснилась Менделееву во сне. Может быть, и так. Хотя вряд ли, сам Менделеев опровергал эту типично журналистскую легенду. Но в любом случае способ преодоления получившейся несуразности вряд ли лежит в области логики, может быть, здесь не обошлось без интуиции. Менделеев просто взял и изменил атомный вес бериллия, а между кальцием и титаном поставил пустую карточку, предсказав таким образом элемент скандий.
Самое поразительное, что поступил он так не с двумя элементами, а чуть ли не с третьей частью всех тогда известных! Например, он присвоил урану атомный вес 240 вместо принятого 120 (увеличил аж в два раза!), переставил местами кобальт и никель, теллур и йод. Опубликовав в 1869 году первый вариант своей Таблицы, он предсказал сразу три элемента, изменил атомные веса у десятка элементов и при этом открыл, что “свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса”. Да ничего подобного! От тех атомных весов ничего не зависело. Великий химик лукавил – он-то наверняка уже догадался, что “свойства элементов стоят в периодической зависимости от”… того номера в его таблице, которое он им присвоит! Менделеев фактически приказал элементам построиться в придуманный им ряд, и Природа послушно смирилась.
Как такое может быть, неизвестно. А как поэт Андрей Белый за 34 года до Хиросимы написал строки?
Есть такая теория, что мир не только не познаваем, но и зависит от того, кто его познает, – исследователь неизбежно влияет на результат эксперимента. Градусник, помещенный в кипяток для измерения температуры, на тысячную долю градуса сам охлаждает воду. И потому есть множество одновременно существующих Вселенных с различающимися свойствами. Можно сказать, что наша Вселенная, состоящая сейчас из примерно 120 элементов, устроена Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Он прожил 73 года, написал около 500 статей по химии, физической химии, технике, физике, экономике, геодезии. Организовал и стал первым директором Палаты мер и весов, был профессором университета и действительным статским советником (то есть генералом), ушел из университета в знак протеста против сужения университетской автономии, был избран в 90 иностранных академий наук и забаллотирован при выборах в русскую. Российские академики сочли его труды недостаточно фундаментальными, слишком близкими к практическим нуждам.
В качестве хобби Дмитрий Иванович переплетал книги и сам себе шил одежду, считая ту, что продавалась в магазинах, неудобной. Для энциклопедии Брокгауза и Ефрона он написал статьи не только о винокурении, но и о варениках. Самым вредным человеческим качеством считал скромность и умело выбивал деньги из правительства для своей лаборатории, наблюдал солнечное затмение с воздушного шара. Придумал теорию неорганического происхождения нефти из карбидов металлов – после почти столетнего пренебрежения к ней сейчас возвращаются геологи и химики. Периодическую систему он создал в 35 лет.
На один из юбилеев Дмитрию Ивановичу подарили драгоценные, изготовленные из чистого алюминия химические весы: дешевый электрохимический способ получения этого металла был тогда неизвестен, хотя в работах Менделеева есть намек и на эту технологию. Американские физики синтезировали 101-й элемент Таблицы и назвали его менделевием, на Земле есть минерал имени Менделеева, вулкан и подводный горный хребет Менделеева, а на обратной стороне Луны – кратер Менделеева.
Но к светлому имени прилипли и дурацкие легенды. Прежде всего о том, что Д.И. Менделеев якобы придумал водку, точнее – назвал 40° лучшей концентрацией спирта в воде, при которой якобы водка самая “питкая”. Хорошо хоть, что не назвали ее самой полезной!
И до сих пор бытует легенда, что “стандарт русской водки высшего качества был утвержден царской правительственной комиссией во главе с Д.И. Менделеевым в 1894 году”. И вообще, история о том, что “водку изобрел Менделеев”, стала так же распространена, как в гоголевские времена фраза “немец луну сделал”. Поскольку хлебное вино у нас пьют уже лет триста-четыреста, с именем Менделеева стали связывать не само “зелено вино”, а выбор для водки крепости именно в 40°. Однако в трудах великого химика отыскать обоснование этого выбора не удается. Диссертация Менделеева “О соединении спирта с водой”, написанная в 1864 году и посвященная свойствам смесей спирта и воды, никак не выделяет эти 40°. Да, Менделеев действительно написал статьи “Водка” и “Винокурение” для словаря Брокгауза и Ефрона, но, собственно, и что из этого? Выше уже отмечалось, что он написал для энциклопедии и статью о варениках – так что жирность творога тоже придумал Менделеев?
И это еще не все. “Царская правительственная комиссия” никак не могла установить данный стандарт водки уже хотя бы потому, что эта организация – “Комиссия для изыскания способов к упорядочению производства и торгового обращения напитков, содержащих в себе алкоголь, – была образована по предложению С.Ю. Витте (а вовсе не царя) только в 1895 году! Причем Менделеев выступал на ее заседаниях в самом конце того же, 1895, года и по вопросу об акцизах.
Хочется, конечно, понять, почему именно 40°. Вот пара предположений. Во-первых, выбор для водки именно 40° – дело случая и удобства смешивания спирта с водой в соотношении “два к трем”. Более простое соотношение “один к одному” крепковато, хотя и такая 50-градусная водка выпускается. Во-вторых, если строго пересчитать 40 объемных процентов на весовые, то мы получим, что водка имеет весовую концентрацию 33,3 %, то есть ровно треть! Это как раз очень важно. Изготавливать водку путем смешивания спирта и воды по объему удобно, но не очень хорошо, поскольку объемы жидкостей зависят от температуры. А при смешивании по массе этот эффект отсутствует. В случае спирта сие очень важно, ведь у нас в России чрезвычайно трудно удержаться, чтобы спирт не украсть.
Дмитрий Иванович может считаться последним энциклопедистом – и не только в российской, но и в общемировой науке. Конечно, главное дело и достижение его жизни – Периодическая система элементов, и, говоря о Менделееве, вспоминают всегда именно об этом, но ведь и Леонардо да Винчи не только написал “Джоконду”. Он и много чего другого сделал. Хотя надо сказать, что Леонардо считают энциклопедистом и “универсальным человеком”, мягко говоря, несколько незаслуженно: практически ни одно из его изобретений не было и не могло быть реализовано, за исключением разве что колесика для высекания искры и воспламенения пороха в пистолете (почти точная копия используется и сейчас в зажигалках). Знаменитый танк Леонардо к настоящим танкам отношение имеет крайне отдаленное, рисунок велосипеда скорее всего подделка, а робот Леонардо самостоятельно двигаться не мог и представлял собой карикатуру на рыцаря.
А вот многие работы Дмитрия Ивановича – по метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике и даже по установлению акцизов на водку – были использованы современниками. Некоторые же его открытия – например, формула Менделеева – Клапейрона для идеальных газов или теория растворов – навсегда останутся в науке. Несколько его изобретений реализованы в первом российском ледоколе “Ермак”. Он разработал и первый отечественный бездымный порох.
Существует легенда, что в данном случае Менделеев не был особенно оригинален, зато он стал одним из первых в истории России промышленным шпионом. Во время командировки во Францию он ознакомился с бездымным порохом, рецепт изготовления которого французы ему не дали, вполне справедливо ссылаясь на секретность разработки, – это как раз правда. Но вот расчеты о поступавших на завод, где производился бездымный порох, целлюлозы, серной и азотной кислот Менделеев не производил, это совершеннейшая чепуха. К тому времени состав бездымного пороха (пироксилина), получающегося в реакции целлюлозы со смесью серной и азотной кислот, был отлично известен. Трудности составляли технические детали производства и физико-химические свойства продукта. Дело было в том, что патроны и снаряды, начиненные этим порохом, взрывались прямо в стволе орудия. Менделеев же сумел получить нитроклетчатку, которая полностью растворялась в смеси спирта и эфира.
Это вещество, названное им пироколлодием, показало прекрасные результаты. Однако из-за разного рода интриг производство менделеевского пироколлодия вскоре было прекращено, и, по российскому обыкновению, правительство предпочло покупать порох за границей, пусть и худшего качества.
Получение пироксилина:
(C6H10O5)n + 3nHNO3 = [C6H7O2(NO3)3]n + 3nH2O
Но самая экзотическая идея Дмитрия Ивановича – после Периодического закона, разумеется, – это неорганическая теория происхождения нефти: не из сгнивших лишайников и тушек динозавриков, а из глубоко под землей залегающих карбидов металлов. Эта теория, на которую еще недавно геологи посматривали с брезгливой усмешкой, вдруг в последнее время начала получать некоторое подтверждение. Нефть стали находить так глубоко и в таких слоях земли, где никогда никакой флоры-фауны не наблюдалось. Карбиды – это соединения тяжелых (и не очень тяжелых) металлов с углеродом, и если такой карбид поместить в воду, то происходит химическая реакция и выделяется углеводород. А углеводород – это и есть основа нефти. Простейший пример: карбид кальция СаС2, брошенный мальчишкой в воду, выделяет ацетилен, который можно поджечь спичкой.
Карбид кальция и его реакция с водой:
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2
Правда, до сих пор карбидов в глубинах земли не обнаружили и ученые несколько модифицировали теорию образования нефти из неорганических веществ, но все равно у ее истоков стоит Менделеев.
Или другая идея ученого – подземная газификация угля. Когда читаешь про страшные аварии, про гибель шахтеров в Сибири, на Украине или в Китае, и понимаешь, что в любом случае, при любой, самой совершенной системе безопасности, все равно люди будут гибнуть в шахтах, на страшной глубине, поневоле подумаешь, да не зарыть ли к черту все эти адские подземелья? И, вспомнив Дмитрия Ивановича, перейти на “современную” технологию, придуманную им сто лет назад.
Дмитрий Иванович Менделеев не получил Нобелевской премии, что больше говорит о премии, чем о великом ученом. Из российских ученых этой премии по химии удостоился (в 1956 году) только Николай Николаевич Семенов. Зато в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии, правда, не по химии, а по физике, два экс-российских ученых за открытие новой модификации углерода – графена. Кстати, именно углерод оказался одним из тех элементов, неестественное положение которого в предыдущих системах элементов привело Менделеева к мысли о смелом изменении атомных весов некоторых элементов. И вообще, углерод настолько важный элемент, что он вполне достоин отдельного рассказа.
Об этом не принято говорить, но совершенно ясно, что построить ее на основании имевшихся данных тогда было просто невозможно, открытие Менделеева – гениальная догадка, пусть и пришедшая ему в голову после многолетних раздумий.
Вот перед нами нарисованная самим автором открытия рукописная табличка. К тому времени было известно всего чуть более 60 элементов с их атомными весами (сейчас элементов уже почти вдвое больше). Идея расположить элементы по порядку возрастания их атомных весов совершенно естественна и банальна. Несколько сложнее было заметить периодические закономерности в этом ряду, но и здесь немало было сделано и до Менделеева. Уже существовало “правило октетов” (химические свойства каждого восьмого элемента очень близки), “правило триад” (в каждой тройке близких по свойствам элементов средний элемент обладает и средним атомным весом). Однако никому из исследователей не удавалось, пусть даже с использованием этих закономерностей, построить систему для всех известных элементов. Объяснялось это тем, что и свойства многих элементов были неизвестны или определены неверно, да и атомные веса ряда элементов были измерены неправильно.
Несмотря на свое еще юношеское преклонение перед Ньютоном, автор Периодической системы был великим химиком, а не физиком. Поэтому за основу своей системы он взял химические свойства элементов, решив расположить химически похожие элементы друг под другом, но соблюдая принцип возрастания атомных весов. Ничего не выходит! Бериллий нарушал всю картину уже в первой строчке будущей таблицы – углерод оказался аналогом алюминия, а немного дальше таким аналогом оказывается и титан. И то и другое с точки зрения химических свойств элементов является совершеннейшим нонсенсом. Углерод – типичный неметалл, а что может быть “металличнее” алюминия или титана? Вот тут бы и прекратить поиски периодичности – и ряд крупнейших ученых того времени так и поступили.
Говорят, что Периодическая таблица приснилась Менделееву во сне. Может быть, и так. Хотя вряд ли, сам Менделеев опровергал эту типично журналистскую легенду. Но в любом случае способ преодоления получившейся несуразности вряд ли лежит в области логики, может быть, здесь не обошлось без интуиции. Менделеев просто взял и изменил атомный вес бериллия, а между кальцием и титаном поставил пустую карточку, предсказав таким образом элемент скандий.
Самое поразительное, что поступил он так не с двумя элементами, а чуть ли не с третьей частью всех тогда известных! Например, он присвоил урану атомный вес 240 вместо принятого 120 (увеличил аж в два раза!), переставил местами кобальт и никель, теллур и йод. Опубликовав в 1869 году первый вариант своей Таблицы, он предсказал сразу три элемента, изменил атомные веса у десятка элементов и при этом открыл, что “свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса”. Да ничего подобного! От тех атомных весов ничего не зависело. Великий химик лукавил – он-то наверняка уже догадался, что “свойства элементов стоят в периодической зависимости от”… того номера в его таблице, которое он им присвоит! Менделеев фактически приказал элементам построиться в придуманный им ряд, и Природа послушно смирилась.
Как такое может быть, неизвестно. А как поэт Андрей Белый за 34 года до Хиросимы написал строки?
История науки знает не так много предсказаний уровня Периодического закона и Таблицы. Великий акт творения Менделеева стал подлинно научной теорией только когда были открыты и скандий, занявший ту пустую карточку, и экаалюминий (галлий), и экасилиций (германий), и благородные газы, и среди них – аргон, прекрасно вставший в Таблице до калия, хотя его атомный вес больше. И Таблица не рухнула! А несколько позже английский физик Генри Мозли объяснил, что номер в Таблице равен заряду ядра атома и что на самом деле “свойства элементов стоят в периодической зависимости от заряда ядра, равного номеру в Таблице”. То есть точно по Менделееву.
Мир рвался в опытах Кюри
Атомной лопнувшею бомбой…
Есть такая теория, что мир не только не познаваем, но и зависит от того, кто его познает, – исследователь неизбежно влияет на результат эксперимента. Градусник, помещенный в кипяток для измерения температуры, на тысячную долю градуса сам охлаждает воду. И потому есть множество одновременно существующих Вселенных с различающимися свойствами. Можно сказать, что наша Вселенная, состоящая сейчас из примерно 120 элементов, устроена Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Он прожил 73 года, написал около 500 статей по химии, физической химии, технике, физике, экономике, геодезии. Организовал и стал первым директором Палаты мер и весов, был профессором университета и действительным статским советником (то есть генералом), ушел из университета в знак протеста против сужения университетской автономии, был избран в 90 иностранных академий наук и забаллотирован при выборах в русскую. Российские академики сочли его труды недостаточно фундаментальными, слишком близкими к практическим нуждам.
В качестве хобби Дмитрий Иванович переплетал книги и сам себе шил одежду, считая ту, что продавалась в магазинах, неудобной. Для энциклопедии Брокгауза и Ефрона он написал статьи не только о винокурении, но и о варениках. Самым вредным человеческим качеством считал скромность и умело выбивал деньги из правительства для своей лаборатории, наблюдал солнечное затмение с воздушного шара. Придумал теорию неорганического происхождения нефти из карбидов металлов – после почти столетнего пренебрежения к ней сейчас возвращаются геологи и химики. Периодическую систему он создал в 35 лет.
На один из юбилеев Дмитрию Ивановичу подарили драгоценные, изготовленные из чистого алюминия химические весы: дешевый электрохимический способ получения этого металла был тогда неизвестен, хотя в работах Менделеева есть намек и на эту технологию. Американские физики синтезировали 101-й элемент Таблицы и назвали его менделевием, на Земле есть минерал имени Менделеева, вулкан и подводный горный хребет Менделеева, а на обратной стороне Луны – кратер Менделеева.
Но к светлому имени прилипли и дурацкие легенды. Прежде всего о том, что Д.И. Менделеев якобы придумал водку, точнее – назвал 40° лучшей концентрацией спирта в воде, при которой якобы водка самая “питкая”. Хорошо хоть, что не назвали ее самой полезной!
И до сих пор бытует легенда, что “стандарт русской водки высшего качества был утвержден царской правительственной комиссией во главе с Д.И. Менделеевым в 1894 году”. И вообще, история о том, что “водку изобрел Менделеев”, стала так же распространена, как в гоголевские времена фраза “немец луну сделал”. Поскольку хлебное вино у нас пьют уже лет триста-четыреста, с именем Менделеева стали связывать не само “зелено вино”, а выбор для водки крепости именно в 40°. Однако в трудах великого химика отыскать обоснование этого выбора не удается. Диссертация Менделеева “О соединении спирта с водой”, написанная в 1864 году и посвященная свойствам смесей спирта и воды, никак не выделяет эти 40°. Да, Менделеев действительно написал статьи “Водка” и “Винокурение” для словаря Брокгауза и Ефрона, но, собственно, и что из этого? Выше уже отмечалось, что он написал для энциклопедии и статью о варениках – так что жирность творога тоже придумал Менделеев?
И это еще не все. “Царская правительственная комиссия” никак не могла установить данный стандарт водки уже хотя бы потому, что эта организация – “Комиссия для изыскания способов к упорядочению производства и торгового обращения напитков, содержащих в себе алкоголь, – была образована по предложению С.Ю. Витте (а вовсе не царя) только в 1895 году! Причем Менделеев выступал на ее заседаниях в самом конце того же, 1895, года и по вопросу об акцизах.
Хочется, конечно, понять, почему именно 40°. Вот пара предположений. Во-первых, выбор для водки именно 40° – дело случая и удобства смешивания спирта с водой в соотношении “два к трем”. Более простое соотношение “один к одному” крепковато, хотя и такая 50-градусная водка выпускается. Во-вторых, если строго пересчитать 40 объемных процентов на весовые, то мы получим, что водка имеет весовую концентрацию 33,3 %, то есть ровно треть! Это как раз очень важно. Изготавливать водку путем смешивания спирта и воды по объему удобно, но не очень хорошо, поскольку объемы жидкостей зависят от температуры. А при смешивании по массе этот эффект отсутствует. В случае спирта сие очень важно, ведь у нас в России чрезвычайно трудно удержаться, чтобы спирт не украсть.
Дмитрий Иванович может считаться последним энциклопедистом – и не только в российской, но и в общемировой науке. Конечно, главное дело и достижение его жизни – Периодическая система элементов, и, говоря о Менделееве, вспоминают всегда именно об этом, но ведь и Леонардо да Винчи не только написал “Джоконду”. Он и много чего другого сделал. Хотя надо сказать, что Леонардо считают энциклопедистом и “универсальным человеком”, мягко говоря, несколько незаслуженно: практически ни одно из его изобретений не было и не могло быть реализовано, за исключением разве что колесика для высекания искры и воспламенения пороха в пистолете (почти точная копия используется и сейчас в зажигалках). Знаменитый танк Леонардо к настоящим танкам отношение имеет крайне отдаленное, рисунок велосипеда скорее всего подделка, а робот Леонардо самостоятельно двигаться не мог и представлял собой карикатуру на рыцаря.
А вот многие работы Дмитрия Ивановича – по метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике и даже по установлению акцизов на водку – были использованы современниками. Некоторые же его открытия – например, формула Менделеева – Клапейрона для идеальных газов или теория растворов – навсегда останутся в науке. Несколько его изобретений реализованы в первом российском ледоколе “Ермак”. Он разработал и первый отечественный бездымный порох.
Существует легенда, что в данном случае Менделеев не был особенно оригинален, зато он стал одним из первых в истории России промышленным шпионом. Во время командировки во Францию он ознакомился с бездымным порохом, рецепт изготовления которого французы ему не дали, вполне справедливо ссылаясь на секретность разработки, – это как раз правда. Но вот расчеты о поступавших на завод, где производился бездымный порох, целлюлозы, серной и азотной кислот Менделеев не производил, это совершеннейшая чепуха. К тому времени состав бездымного пороха (пироксилина), получающегося в реакции целлюлозы со смесью серной и азотной кислот, был отлично известен. Трудности составляли технические детали производства и физико-химические свойства продукта. Дело было в том, что патроны и снаряды, начиненные этим порохом, взрывались прямо в стволе орудия. Менделеев же сумел получить нитроклетчатку, которая полностью растворялась в смеси спирта и эфира.
Это вещество, названное им пироколлодием, показало прекрасные результаты. Однако из-за разного рода интриг производство менделеевского пироколлодия вскоре было прекращено, и, по российскому обыкновению, правительство предпочло покупать порох за границей, пусть и худшего качества.
Получение пироксилина:
(C6H10O5)n + 3nHNO3 = [C6H7O2(NO3)3]n + 3nH2O
Но самая экзотическая идея Дмитрия Ивановича – после Периодического закона, разумеется, – это неорганическая теория происхождения нефти: не из сгнивших лишайников и тушек динозавриков, а из глубоко под землей залегающих карбидов металлов. Эта теория, на которую еще недавно геологи посматривали с брезгливой усмешкой, вдруг в последнее время начала получать некоторое подтверждение. Нефть стали находить так глубоко и в таких слоях земли, где никогда никакой флоры-фауны не наблюдалось. Карбиды – это соединения тяжелых (и не очень тяжелых) металлов с углеродом, и если такой карбид поместить в воду, то происходит химическая реакция и выделяется углеводород. А углеводород – это и есть основа нефти. Простейший пример: карбид кальция СаС2, брошенный мальчишкой в воду, выделяет ацетилен, который можно поджечь спичкой.
Карбид кальция и его реакция с водой:
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2
Правда, до сих пор карбидов в глубинах земли не обнаружили и ученые несколько модифицировали теорию образования нефти из неорганических веществ, но все равно у ее истоков стоит Менделеев.
Или другая идея ученого – подземная газификация угля. Когда читаешь про страшные аварии, про гибель шахтеров в Сибири, на Украине или в Китае, и понимаешь, что в любом случае, при любой, самой совершенной системе безопасности, все равно люди будут гибнуть в шахтах, на страшной глубине, поневоле подумаешь, да не зарыть ли к черту все эти адские подземелья? И, вспомнив Дмитрия Ивановича, перейти на “современную” технологию, придуманную им сто лет назад.
Дмитрий Иванович Менделеев не получил Нобелевской премии, что больше говорит о премии, чем о великом ученом. Из российских ученых этой премии по химии удостоился (в 1956 году) только Николай Николаевич Семенов. Зато в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии, правда, не по химии, а по физике, два экс-российских ученых за открытие новой модификации углерода – графена. Кстати, именно углерод оказался одним из тех элементов, неестественное положение которого в предыдущих системах элементов привело Менделеева к мысли о смелом изменении атомных весов некоторых элементов. И вообще, углерод настолько важный элемент, что он вполне достоин отдельного рассказа.
Глава 3 Углеродная жизнь
Элемент углерод находится ровно посередине второго периода Таблицы Менделеева, образует неорганические и органические соединения и способен реагировать со множеством других веществ и элементов. Но главное свойство углерода – это возможность связывания самих атомов углерода друг с другом, то есть образование углеродных цепочек. Именно это свойство сделало углерод “элементом жизни” – из таких цепочек построены и наследственные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), и белки, из которых состоят наши мышцы, и все ферменты и углеводы, которые входят в состав множества наших органов, и жиры, из которых сделаны мембраны наших клеток (а также, увы, и наши животы). На углеродные цепочки нанизаны атомы и других элементов – азота, водорода, кислорода. Эти цепочки являются основным структурным элементом клеток растений, которыми мы питаемся, а также древесины, из которой мы изготавливаем стулья и обеденные столы, а также шкафы и кресла. То же самое относится, как это ни жутковато звучит, к клеткам съедобных и несъедобных животных, которые тоже состоят в основном из веществ с цепочками углерода.
Сажа и бриллианты
Но все это – об органических соединениях элемента углерод. А сам по себе элемент углерод образует неорганические модификации, иначе называемые аллотропическими. Еще не так давно признавали только три аллотропические модификации – алмаз, графит и аморфный углерод. Но в 60-е годы прошлого века был получен (кстати, советскими учеными) так называемый карбин, представляющий собой чистые цепочки из атомов углерода, без дополнительных атомов других элементов. Соединены атомы в карбине двойными или тройными плюс одинарными связями – так, чтобы каждый из атомов был четырехвалентным. Углерод практически во всех своих соединениях имеет валентность, равную четырем.
Карбин: —С=С=С=С=С—…
или
=С-С=С-С=С-
Алмаз построен совершенно по-другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод-углерод очень прочная, именно поэтому алмаз обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. Алмаз действительно почти невозможно сжать, но его легко разбить, алмаз довольно хрупок. Да, самое главное – не с точки зрения химии, конечно: специальным образом обработанный алмаз называется бриллиантом и очень ценится девушками. Любовь проходит, а бриллианты остаются.
Графит, тот самый, что в карандаше, в отличие от алмаза, легко истирается и превращается на бумаге в буквы – к примеру, в рукописи великих романов или письма с фронта. Говорят, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку ручки для письма в космической невесомости. Оканчивается история ударной фразой: “А русские космонавты пользовались карандашом”. Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что графит представляет собой стопку слоев из шестигранников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Сами слои между собой связаны слабо, и графит легко расслаивается – это и есть следы на бумаге. Графит можно сравнить с тортом “Наполеон”, где коржи не очень прочно склеены кремом.
Но графит, как и алмаз, состоит только из атомов углерода. Поэтому всегда было заманчивым как-то превратить графит в алмаз, что и было сделано. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов выходят не очень красивые, зато поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл, утыканные этими недорогими искусственными алмазами, работают просто великолепно.
А аморфный углерод – это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь – его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.
Карбин: —С=С=С=С=С—…
или
=С-С=С-С=С-
Алмаз построен совершенно по-другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод-углерод очень прочная, именно поэтому алмаз обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. Алмаз действительно почти невозможно сжать, но его легко разбить, алмаз довольно хрупок. Да, самое главное – не с точки зрения химии, конечно: специальным образом обработанный алмаз называется бриллиантом и очень ценится девушками. Любовь проходит, а бриллианты остаются.
Графит, тот самый, что в карандаше, в отличие от алмаза, легко истирается и превращается на бумаге в буквы – к примеру, в рукописи великих романов или письма с фронта. Говорят, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку ручки для письма в космической невесомости. Оканчивается история ударной фразой: “А русские космонавты пользовались карандашом”. Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что графит представляет собой стопку слоев из шестигранников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Сами слои между собой связаны слабо, и графит легко расслаивается – это и есть следы на бумаге. Графит можно сравнить с тортом “Наполеон”, где коржи не очень прочно склеены кремом.
Но графит, как и алмаз, состоит только из атомов углерода. Поэтому всегда было заманчивым как-то превратить графит в алмаз, что и было сделано. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов выходят не очень красивые, зато поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл, утыканные этими недорогими искусственными алмазами, работают просто великолепно.
А аморфный углерод – это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь – его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.
Мячи и плоскости
В 1985 году химики сделали потрясающее открытие: была обнаружена принципиально новая модификация углерода – фуллерен. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и нашли в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С60 представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников – точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С70 в середину “мяча” врезан пояс из 10 атомов углерода – такая молекула напоминает удлиненный мяч для регби. Эти молекулы первооткрыватели назвали бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который строил здания именно из подобных структурных элементов – шести-и пятиугольников. Вскоре, впрочем, название сократили до фуллеренов. Через и лет после открытия ученые получили Нобелевскую премию по химии, и все эти годы обнаружились все новые и новые фуллерены.
Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.
Как мы уже говорили, простейший фуллерен С60 в точности похож на футбольный мяч, а следующий С70 – уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый “мяч”, то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.
Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.
И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода – одномерные пленки под названием “графен”. Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта “Наполеон”, один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.
Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.
В этой книге рассказывается не просто об интересных химических веществах и реакциях, но и об открывших эти вещества ученых. Поэтому, рассказывая про Гейма, Новосёлова и графен, нельзя не вспомнить их коллегу физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное – лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области, начал выращивать коз и ныне совершенно счастлив. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми – им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме. И собирается выучиться на краснодеревщика.
А Гейм и Новосёлов уехали за границу, работают в одном из крупных научных центров Великобритании. Ну что ж, это нормально, ученый и должен жить там, где ему предоставляются наилучшие условия для работы. И это далеко не первый случай. Кстати, касающийся именно Великобритании. Речь идет о великом русском химике Владимире Николаевиче Ипатьеве и “битве за Англию”. Об этом – в главе и, а сейчас расскажем о химике, который первым сообразил, как именно образуются цепочки углерода, как устроены органические вещества и почему вещества с одним и тем же количеством атомов, и не только углерода, проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства.
Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.
Как мы уже говорили, простейший фуллерен С60 в точности похож на футбольный мяч, а следующий С70 – уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый “мяч”, то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.
Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.
И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода – одномерные пленки под названием “графен”. Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта “Наполеон”, один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.
Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.
В этой книге рассказывается не просто об интересных химических веществах и реакциях, но и об открывших эти вещества ученых. Поэтому, рассказывая про Гейма, Новосёлова и графен, нельзя не вспомнить их коллегу физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное – лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области, начал выращивать коз и ныне совершенно счастлив. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми – им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме. И собирается выучиться на краснодеревщика.
А Гейм и Новосёлов уехали за границу, работают в одном из крупных научных центров Великобритании. Ну что ж, это нормально, ученый и должен жить там, где ему предоставляются наилучшие условия для работы. И это далеко не первый случай. Кстати, касающийся именно Великобритании. Речь идет о великом русском химике Владимире Николаевиче Ипатьеве и “битве за Англию”. Об этом – в главе и, а сейчас расскажем о химике, который первым сообразил, как именно образуются цепочки углерода, как устроены органические вещества и почему вещества с одним и тем же количеством атомов, и не только углерода, проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства.
Структура Бутлерова
Александр Михайлович Бутлеров родился в 1828 году, учился в Казанском университете, после отъезда Карла Клауса в город Дерпт (о Карле Карловиче – в главе 14) возглавил преподавательский корпус химии в Казанском университете и в 1861 году впервые огласил на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей свою теорию строения органических соединений. Сейчас ее положения показались бы очевидными, однако, как ни странно, до Бутлерова ученых как-то мало занимал хорошо известный сегодня факт, что химические и физические свойства любого индивидуального вещества зависят не только от его состава, то есть количества тех или иных атомов, но и от того, в каком порядке “собрана” молекула вещества из этих атомов, – то есть от строения молекулы. А как же иначе, спросите вы? А вот так: до Бутлерова вещество (точнее, молекулу вещества) считали этаким мешком, в который насыпали столько-то атомов углерода, столько-то азота, столько-то кислорода и так далее. Мешок потрясли и получили вещество.