Петр Образцов, кандидат химических наук, известный научный обозреватель и автор нескольких книг, утверждает: сегодня без химии представить себе наш мир просто невозможно. В своей увлекательной книге он рассказывает об алхимиках и великом Менделееве, о том, почему сладкое - сладко, а горькое - горько, что такое ферменты и микроэлементы, как создавались яды и боевые отравляющие вещества, как была обнаружена радиоактивность и что такое графен.
В этих историях о химии много юмора и знания человеческой природы, а потому они интересны всем - и людям, далеким от науки, и тем, кто связал с ней свою жизнь.
Содержание:
Предисловие 1
Глава 1 - В поисках камня 1
Глава 2 - Вселенная Менделеева 4
Глава 3 - Углеродная жизнь 5
Глава 4 - Почему сладкое сладко, а горькое горько 8
Глава 5 - Яды вредные и полезные 10
Глава 6 - Из дрожжей 14
Глава 7 - Химия жизни 16
Глава 8 - Витамины, азбука жизни 19
Глава 9 - Микро и макро, нужные как воздух 22
Глава 10 - Самый главный минерал 24
Глава 11 - Самые новые 25
Глава 12 - Страстные бабочки и пряные девчонки 28
Глава 13 - Стыдливый кетчуп 31
Глава 14 - Битва за скорость 35
Глава 15 - Активность Кюри 37
Глава 16 - Случайные и неслучайные открытия 42
Глава 17 - Иллюзии и заблуждения 45
Глава 18 - Опасности подлинные и мнимые 48
Глава 19 - "Зеленая" химия 49
Библиография 50
Примечания 50
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 (NH 4 ) 2 SO 4 . 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 x H y O z (органические вещества дерева) + O 2 → CO 2 + H 2 O
Несколько позже уже настоящие хомо сапиенсы начали осуществлять довольно сложные реакции восстановления руд различных металлов. Появилась младшая дочь химии - металлургия. Например,
2CuO + C = 2Cu + CO 2 (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.
Fe 3 O 4 + 2C = 3Fe + 2CO 2 (получение железа из руды)
Процессы получения некоторых металлов были известны уже древнеегипетским жрецам, они же составили рецепты бальзамов для мумифицирования своих фараонов, высших чиновников, кошек и прочей живности, и они же, скорее всего, изобрели дистилляцию и соответственно крепкие алкогольные напитки - а не только пиво и слабое винцо, как обычно принято считать. В III веке в египетской Александрии уже сформировались основные положения предшественницы научной химии - алхимии. Числу семи известных тогда планет удачно соответствовали семь известных металлов, тут же было придумано и сопоставление. Серебру соответствовала Луна, золоту - Солнце, ртути - Меркурий, меди - Венера, железу - ясное дело, Марс, олову - Юпитер, свинцу - Сатурн. Причем вначале изучение этих металлов и их соединений даже не следовало бы относить к алхимии, лишь через некоторое время целью исследований стал поиск философского камня и возможности трансмутации, то есть превращения свинца в серебро, а ртути в золото. Уникальная способность ртути образовывать твердые сплавы с золотом и серебром навела химиков прошлого на мысль, что этот металл является первоосновой, первичным металлом.
Со временем утвердились основные положения алхимии, а именно:
Существует material prima - первичная материя, заполняющая все и вся, но загрязненная различными примесями. Удалив эти примеси, можно получить философский камень, превращающий, как уже было сказано, неблагородные металлы в благородные. К сожалению, о бессмысленности этого действия вследствие неминуемой катастрофической инфляции алхимики не подозревали. Кроме того, алхимики свято верили, что философский камень исцеляет все болезни и дарит бессмертие. Заметим, они уже тогда догадались, что желать надо не вечной жизни, а вечной молодости.
Алхимики признавали четыре первопричины Аристотеля: тепло, сухость, холод, влажность. Эти первопричины образуются при сочетании четырех стихий: огонь + воздух = тепло, огонь + земля = сухость, вода + земля = холод, воздух + вода = влажность. При переводе на русский язык названия знаменитого фильма Люка Бессона "Пятый элемент" переводчики не поняли, что в данном случае под словом element имеются в виду именно стихия и фильм про пятую стихию, то есть любовь, должен называться "Пятая стихия".
Алхимики, поразившись одинаковому количеству планет Солнечной системы и металлов, уверовали в мистическое влияние небесных тел на все процессы, протекающие на Земле, в том числе на зарождение металлов. О том, что Солнце вовсе не планета, вращающаяся вокруг Земли, а независимая звезда, они, разумеется, не знали. До Коперника было еще очень далеко.
Совпадение количества планет и металлов привело их к убеждению, что металлов и не может быть больше семи. Это отражено в занятном стихотворении народовольца Николая Морозова. Просидевший 25 лет в Петропавловской и Шлиссельбургской крепостях революционер не только призывал к оживлению мертвых и критиковал хронологию истории, став предшественником группы математика Фоменко, но и увлекался химией. Но все-таки революционер не сошел с ума, и этот стишок, надо надеяться, отражает не его точку зрения, а алхимиков:
Семь металлов создал свет,
По числу семи планет:
Дал нам Космос на добро,
Медь, железо, серебро,
Злато, олово, свинец…
Сын мой! Сера их отец!
И спеши, мой сын, узнать:
Всем им ртуть родная мать!
Ну и, наконец, алхимики не сомневались в возможности превращений, трансмутаций, причем считали, что в золото можно превратить не только свинец и ртуть, но и все остальные металлы, прибавив к ним "качество" серебра или золота.
К VIII веку центр алхимии переместился на арабский Восток. Джабир ибн Хайян, называемый в Европе попросту Гебером, придумал ртутно-серную теорию происхождения металлов, впрочем, не сильно отличающуюся от классической. Через пару веков другой алхимик добавил к ртути и сере еще и "твердость", или философскую соль. Однако практичные арабы не слишком увлекались философией и значительно больше времени посвящали экспериментам. В результате именно им принадлежит честь изобретения большинства видов алхимической, да и просто химической, посуды - реторт, перегонных кубов, разного вида колб, водяных и песчаных бань. После завоевания Месопотамии и Багдада турками многие алхимики бежали в Европу, где передали свои знания европейским ученым. Самым заметным из них был Альберт Великий (XIII век), автор знаменитых "Правил". В этом объемистом труде впервые описаны все операции, которые использовали алхимики. К ним относятся перегонка, возгонка (сейчас называемая сублимацией), осаждение или преципитация, фильтрование, кристаллизация и кальцинация, или попросту обжиг. Эти операции химики применяют и сейчас, несмотря на появление большого числа чисто физических методов исследования и анализа типа спектроскопии или ядерного магнитного резонанса.
Золотая наша железка
Как и в любом другом виде деятельности человека, в алхимии было много жуликов. Примерно в XVI веке "имя им стало легион". Занимались эти махинаторы тем, что составляло смысл деятельности классического алхимика, а именно получали золото из неблагородных веществ. В принципе такая трансмутация возможна. Например, из ртути действительно можно получить золото, бомбардируя этот "первичный металл" потоком быстрых нейтронов, что и было сделано американцами в 1940 году. Правда, стоимость такого золота будет раз в сто больше котировок этого металла на Лондонской бирже. Но это не так и важно, поскольку ядерные реакции алхимикам по понятным причинам были неизвестны и недоступны. Соответственно алхимическим махинаторам приходилось изготавливать золото для своих коронованных покровителей из… золота. Точнее, из его соединений.
Простейшим вариантом обмана каких-нибудь Карла или Августа под соответствующими номерами было разложение амальгамы золота - твердого сплава золота со ртутью, по внешнему виду на золото совсем непохожего. А при большом содержании ртути амальгама к тому же может оставаться жидкой, тут уж совсем не уличишь ученого негодяя в обмане. При нагревании амальгамы, хоть твердой, хоть жидкой, ртуть отгоняется и в тигле появляется золото, столь необходимое коронованным особам для выдачи зарплаты своим ландскнехтам и для ублажения очередной любовницы. В различных музеях Европы хранится несколько десятков монет, отчеканенных из такого алхимического золота. Однако в большинстве случаев алхимических фальшивомонетчиков разоблачали и, как правило, казнили. Причем в Германии был даже изобретен особый ритуал казни алхимиков - их вешали на позолоченной виселице, одев в парчовый кафтан.
В XVI веке, во времена Реформации и ослабления католицизма, акции алхимиков сильно пошатнулись. В этой древней науке произошли существенные изменения. Кстати, алхимию не стоит считать какой-то чепухой и набором заблуждений вроде астрологии. Алхимия - настоящая наука, со своими методами исследований, специфическим языком, часто воспроизводимыми результатами и набором пусть невнятных, но теорий. Алхимия нисколько не противоречит химии, а лишь является ее предшественницей. Так вот, реформировал алхимию великий Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493–1541), публиковавший свои работы под псевдонимом Парацельс. Греческая приставка пара- означает "возле", "около" или "отклонение". Парапсихология - это отклонение от подлинной психологии, это лженаука. Парамагнетики отклоняются в сторону магнитного поля. Но Теофраст Бомбаст при выборе псевдонима использовал первое значение приставки, и поэтому Парацельс означает "около Цельса", в смысле равный Цельсу. Сам же Авл Корнелий Цельс - это знаменитый древнеримский ученый и врач, составивший энциклопедию знаний начала нашей эры, в частности по терапии, хирургии, гигиене и патологии. Ясно, что Теофраст Бомбаст относился к себе без излишней скромности, что подтверждается текстами его хвастливых сочинений.
Однако именно Парацельсу алхимия обязана поворотом к более материалистическому пониманию веществ и природы и появлением иатрохимии. Парацельс считал, что нужно уже бросить искать философский камень - пора заняться составлением лекарственных препаратов. Парацельс, подтверждая необходимость введения Соли как третьего "принципа" в дополнение к Ртути и Сере, полагал, что любая болезнь есть нарушение равновесия этих "принципов" в организме человека. Для восстановления же равновесия в качестве лекарств он предложил использовать разнообразные вещества неорганического происхождения - соединения мышьяка, свинца, ртути вместе с традиционными растительными препаратами. Соединения этих металлов, как известно, ядовиты в больших концентрациях, но безвредны и даже полезны в малых, поэтому Парацельса можно считать первым гомеопатом, а его иатрохимию - предшественницей этого направления в медицине, пусть и необъяснимого с позиций современной науки, а может, и просто неверного. Но о гомеопатии немного позже.
Чтобы закончить с иатрохимией, а вместе с ней и с классической алхимией, упомянем самого выдающегося представителя иатрохимии Ван Гельмонта (1578–1644). Он первым ввел понятие об истинных простых частях сложных тел, отвергая аристотелевские стихии и алхимические принципы, хотя и не сумел выделить из сложных тел эти самые простые части. Простыми же он считал те вещества, которые можно получить при разложении сложных тел, и поэтому посчитал простым веществом воду, всегда появляющуюся при распаде растений и животных. Ван Гельмонта можно также считать автором количественного анализа, поскольку он первым не просто растворил серебро в "крепкой водке" - азотной кислоте, но и выделил его обратно путем разложения нитрата серебра, причем в строго том же количестве. На алхимическом языке приведенная ниже реакция описывается так: "Крепкая водка пожирает Луну и выделяет лисий хвост, жидкость на песчаной бане сгусти, и получишь адский камень".
Ag + 2HNO3 = AgNO3 + NO2 + H2O
"Луна" - это, как уже было сказано, серебро, а "лисий хвост" - оксид азота NO2 рыжего цвета, "адский камень" - это нитрат серебра AgNO3, или ляпис, которым прижигают порезы. При этом выделяется бактерицидное серебро в виде мельчайших частиц черного цвета. Серебро восстанавливает из ляписа любая органика, в том числе верхний слой кожи, но Ван Гельмонт получал серебро, "прокаливая адский камень в печи с появлением Луны".
2AgNO3→ 2Ag + NO2 + O2