«Великая химия». Главы из книги

Электроны, протоны и нейтроны образуют атомы. Изучением всего этого, как известно, занимается физика. Но атомы связываются вместе, образуя молекулы, а ими уже занимается химия. В учебниках химии для начинающих эту науку частенько норовят окрестить «основополагающей», дабы подчеркнуть ее особую роль и «центральное положение» в научном прогрессе (а заодно и поощрить читателя выбрать именно этот курс для изучения). Что ж, в каком-то смысле это определение совершенно верно. Химия и в самом деле находится как бы посередине между физикой и биологией, претендуя на участки территорий обеих наук — в придачу к своим собственным землям. Проглядев нашу книгу, вы поймете, что это означает на практике. Здесь вы встретите темы, находящиеся на грани физической химии и химической физики, а также другие, привольно расположившиеся где-то между биохимией и химической биологией. (Да-да, это действительно названия разных областей исследования, хотя даже те, кто в них подвизается, зачастую спорят друг с другом насчет того, к какой сфере что относится.)

Человек начал изучать химию даже раньше, чем освоил письменность. Лишь археологи способны поведать нам, где и когда могли производиться первые химические опыты, причем самые ранние из них наверняка не оставили после себя вообще никаких следов. Когда наши далекие предки задумывались об огне и его воздействии, или размышляли о цвете камней и естественных красителей, или измельчали растения для того, чтобы применить их в лекарственных целях, они, несомненно, выполняли своего рода химические изыскания — которые, по сути, продолжаются и сегодня. Современный химик связан со всей историей человечества — и с кузнецами бронзового века, и с египетскими жрецами, и с китайскими философами, и с персидскими алхимиками. Оглядываясь назад, так и хочется сказать, в чем они ошибались. Но важнее то, в чем они не ошибались, что понимали правильно: именно это понимание в конечном итоге и позволило выстроить здание современной химии.

Не лишне напомнить, что сама по себе эта наука появилась сравнительно недавно. Видите, как заметки в книге распределены по оси времени? Вначале — долгая, неспешная подготовка, период, состоящий из практических открытий: как делать металлы, строительные материалы, оружие. Несколько менее практичным занятием (как нам сегодня кажется) стала алхимия, в рамках которой столетиями шли безуспешные поиски способов «трансмутации» металлов (т. е. превращения одного металла в другой — скажем, свинца в золото) или попытки приготовить «эликсир жизни». Однако попутно алхимики научились перегонять, очищать и классифицировать вещества, с которыми они работали, а значит, сами того не подозревая, они заложили фундамент современной химии. В XVII в., уже в сумерках алхимии, начало восходить солнце подлинной науки — которую мы уже можем в каком-то смысле назвать наукой нового времени. Новое поколение естествоиспытателей училось проводить систематические и воспроизводимые эксперименты и делало блестящие открытия. Восемнадцатый век затмил все, что было раньше. А потом его, в свою очередь, обогнал век XIX, притом с заметным отрывом.

Эссе в этой книге совсем не обязательно читать по порядку, но вот вам нечто вроде краткого обзора на тот случай, если вы предпочитаете последовательное ознакомление с материалом. В XVIII и начале XIX вв. всевозможные эксперименты с газами считались передовыми исследованиями. Изучение газов позволило понять, каким образом элементы (точнее, атомы) соединяются в вещества. Затем открытие электричества помогло осуществить новые, невиданные прежде химические реакции, и химики попытались их осмыслить. Кроме того, они занимались выделением новых веществ из растений и других природных источников. Попытки разобраться в строении этих веществ постепенно привели к пониманию того, что молекулы химических соединений могут иметь сложную трехмерную форму.

В XIX столетии ученые наконец-то получили ответы на некоторые из простейших вопросов. Почему одни вещества ярко окрашены, а другие бесцветны? Почему некоторые вещества — серебристые металлы, которые можно расплавить лишь на самой горячей жаровне, а некоторые — газы, причем иные даже легче воздуха? Почему при соприкосновении с воздухом какие-то газы испускают свет или даже бурно воспламеняются? Еще в XVIII в. эти явления было невозможно вписать в рамки существовавших теорий, однако позже огромное количество работ и ряд фундаментальных открытий позволили объяснить подобные феномены.

К началу ХХ столетия ученые поняли, что многие вещества представляют собой полимеры — необычайно длинные конструкции из более простых молекул, соединенных друг с другом. Оказалось, что эти вещества присутствуют и в живых клетках. Пытаясь разобраться, как работают такие соединения, химики-полимерщики научились получать практически все — от резины и кукурузного крахмала до полиэтилена. Между тем специалисты по органической и неорганической химии, объединив усилия, научились синтезировать широчайший спектр металлоорганических соединений (невиданных прежде), а химики-аналитики невероятно расширили сферу своего влияния: ранее никто и представить себе не мог, что такие методы, как масс-спектрометрия, позволят определять массу отдельных молекул!

Вторая мировая война оказала колоссальное воздействие на все отрасли промышленности. Ее начали с бипланами, а закончили с реактивными истребителями и управляемыми ракетами. Химия пережила изменения сходного масштаба. В распоряжении человечества появились продукты нефтехимии, радиоактивные изотопы, антибиотики… В военные и послевоенные годы резко ускорилось развитие всех областей химии. К концу 1950-х годов , обнаружилось, что ДНК и белковые последовательности играют ключевую роль в живой клетке, а в 1960-х стала понятна их структура. Химики-аналитики меняли облик науки благодаря новым видам хроматографии и ЯМР (ядерному магнитному резонансу). Специалисты по медицинской химии обращались к природным соединениям (антибиотикам и стероидам) и модифицировали саму их структуру.

На 1970–1980 гг . пришлась заря молекулярной биологии — области, которая побудила биологов еще больше сблизиться с «химическим» взглядом на вещи. Хроматография и масс-спектрометрия объединились в самую мощную аналитическую методику в истории химии хромато-масс-спектрометрию. Компьютеры произвели революцию в обработке данных и позволили специалистам по рентгеновской кристаллографии получать результаты за какие-то часы.

В последние два десятка лет мы наблюдали зарождение и подъем нанотехнологии: химики научились разрабатывать и конструировать молекулярные инструменты, которые в былые времена невозможно было бы даже вообразить. Сходный взрыв энтузиазма произошел в области, именуемой ныне химической биологией: при помощи химических методов она стремится исследовать и даже изменять белки и другие «молекулы жизни». Новые реакции из области органической химии, новое аналитическое оборудование, новые компьютерные мощности — все это объединилось для того, чтобы сделать химическую биологию такой, какова она сейчас. Если мы хотим извлечь из воздуха углекислый газ и вновь превратить его в полезные вещества (в том числе и в топливо); если мы хотим синтезировать новые лекарства или создавать новые материалы, прочнее и легче прежних, тогда нам позарез нужны новейшие революционные достижения химии.

Конечно, сегодня легко принимать наши нынешние представления о химии. Но помните: многое из того, что ныне нам кажется чем-то привычным обыденным, наши предки восприняли бы как настоящее чудо (или явное колдовство). История химии — это повесть о том, как человечество училось воссоздавать недостающие «инструкции по применению» для материального мира. Немалое упорство, отвага, ум (и немалая доля здорового сумасбродства) потребовались, чтобы привести нас туда, где мы находимся сейчас. Работая над этой книгой, я старался отдать дань уважения всем, кто сделал это возможным.

Но история продолжается. Сам я — профессиональный химик, так что эту книгу я писал по вечерам и по выходным. Днем я провожу время в лаборатории, как и тысячи других химиков по всему миру. Тем самым мы помогаем писать новые главы этой книги. Если вас интересуют мои научные штудии, добро пожаловать на мой сайт, где я рассказываю о том, чем занимаюсь, и регулярно публикую новости об открытиях в этой области.

Отметим, что приводимые здесь даты, как правило, обозначают момент времени, когда было совершено то или иное открытие, но в некоторых случаях они просто указывают, в каком году открытие или идея получили широкое признание в научном сообществе. К примеру, бензол был известен и до 1865 г. (в течение нескольких десятков лет), однако лишь в том, 1865 г., удалось выявить его истинную структуру, и это открытие породило множество других. Часто научные достижения не имеют четкой отправной точки и как бы размазаны по времени (или среди множества первооткрывателей). Химический анализ паутины впервые провели в 1907 г., но даже после более чем столетней работы неисчислимых полчищ химиков мы так толком и не понимаем, как же паутина выполняет свои функции. В отдельных случаях я принимал за веху, скажем, год присуждения Нобелевской премии за соответствующее открытие или год, когда удалось добиться существенного продвижения в описываемой области. Так, химические реакции, способные извлекать углекислый газ из воздуха (в небольших масштабах), известны с XIX в., но поразительный пример практического использования этих знаний мы наблюдали лишь в 1970 г., когда с их помощью удалось спасти астронавтов «Аполлона-13» . Если же взглянуть на проблему в более крупном масштабе, то количество диоксида углерода в атмосфере начали широко обсуждать в последние 25 лет, однако «парниковый эффект» впервые осознали еще в 1896-м. Можно только удивляться, как рано (а иногда и как поздно) некоторые научные открытия становятся достоянием общественности.

Добыча золота (ок. 550 г. до н. э.)

Крез ( 595 — ок. 547 до н. э. )

Желание обладать теми или иными металлами тысячи лет подстегивало прикладную химию. Бронза и сталь требовались для изготовления оружия и инструментов, а при помощи золота обычно удавалось купить много олова, меди и железа для изготовления бронзы и стали. Человек с давних времен знал золото благодаря его яркой окраске, сопротивляемости всем видам коррозии, а также превосходной ковкости, которая позволяла кузнецам делать из него изделия практически любой формы и любой толщины. Все золото, когда-либо добытое человечеством (по-видимому, эта история началась еще до 3000 г. до н. э. на Кавказе, в районе современной Грузии), можно разместить на сравнительно небольшом складе. Многие древние цивилизации при помощи воды отмывали золотую пыль от каменного сора. Вероятно, первыми до этого додумались египтяне (о чем свидетельствуют их роскошные гробницы). Позже древние римляне стали добывать золото (наряду с другими металлами) уже в промышленных масштабах.

На протяжении всей истории человечества открытие золотоносной жилы всегда означало большие изменения для людей, живших рядом. Примерно в 550 г. до н. э. удача улыбнулась лидийскому царю Крезу (его земли ныне принадлежат Турции): при нем изобрели новый способ очистки металла, позволявший получать чистое золото из природного золото-серебряного сплава, называемого электрум. Дело скоро поставили на широкую ногу. Археологи обнаружили обширные золотые прииски на месте древнего города Сарды (столицы Лидии), где небольшая река Пактол намывала «золотые пески», приносимые с горы Тмол. Лидийские химики придумали, как использовать расплавленный свинец и поваренную соль для того, чтобы в большом количестве производить металл для монет — золото и серебро. Благодаря этим металлургам фраза «богат как Крез» в ходу до сих пор.

Химические основы процессов, которые использовались лидийцами, можно понять, проанализировав куски древних руд, металлических фрагментов, застрявших в трещинах тиглей, и даже земляного пола приисков. Никаких записей об этих методах не сохранилось (процесс наверняка считался государственной тайной), однако изучение тогдашних монет показывает, что вскоре лидийцы стали использовать чистое серебро для снижения доли золота в монетах, которые изготавливались из электрума, тем самым снижая их себестоимость, тогда как их номинальная стоимость оставалась прежней (о чем свидетельствовал специальный оттиск на монетах). И прибыль потекла рекой!

Куски электрума из Лидии и других частей греческого мира с оттиснутыми на них изображениями царей, героев, мифологических сцен, животных. Цвет различается в зависимости от содержания серебра

См. также: Бронза ( ок. 3300 до н. э. ), Выплавка железа ( ок. 1300 до н. э. ), Алхимия (ок. 900), Царская водка (Aqua regia) (ок. 1280), De re metallica (1556), Электроосаждение (1805), Цианидное извлечение золота (1887).

Ртуть (210 г. до н. э.)

Цинь Шихуанди ( 259–210 до н. э. )

Ртуть с доисторических времен считалась штукой странной и ценной. Мало того что это один из тех элементов, которые можно без всяких дополнительных усилий найти в природе в чистом виде; это еще и единственный металл, который остается жидким при обычных температурах, благодаря чему ртути на протяжении тысяч лет приписывали магические свойства. Проблема в том, что эта блестящая и необычно тяжелая жидкость довольно ядовита. Любопытно: чистый металл не так опасен, как многие его соединения, которые куда легче усваиваются организмом. Но вдыхать пары чистой ртути — идея очень плохая. Токсический эффект этих паров практически необратим, ибо они вступают в реакции со многими серосодержащими группами на поверхности самых разных белков и других биомолекул. Когда такое происходит, действие яда становится фатальным.

Цинь Шихуанди — знаменитый «первый китайский император», а кроме того, первый в истории известный нам крупный потребитель ртути. В 1974 г. изумленные археологи обнаружили зарытую им армию терракотовых воинов, выполненных в натуральную величину. Сыма Цянь, придворный историограф династии Хань, пишет в своих «Исторических записках» (монументальном труде по истории Древнего Китая, завершенном в 109 г. до н. э.), что и прочие части гробницы были столь же впечатляющи: они в уменьшенном виде изображали пейзажи и дворцы, и посреди всего этого великолепия текли десятки ртутных рек. Пробы почвы действительно показывают, что содержание ртути здесь намного выше нормы, а значит, историк, по-видимому, не преувеличивал.

Возможно, император в конце концов отравился ртутными снадобьями, при помощи которых желал обрести бессмертие. Соединения ртути веками применялись в медицине, обычно со столь же печальными результатами. Впрочем, иногда они помогали избавиться от сифилиса. В новое время ртуть стали использовать в термометрах, а кроме того, в электрических выключателях и флуоресцентных лампах, что привело к ужасному загрязнению окружающей среды. Соединения ртути концентрируются в пищевой цепочке, доходя до потенциально опасного уровня у некоторых рыб, которые иначе считались бы вполне съедобными.

Знаменитое терракотовое воинство Цинь Шихуанди. Поблизости, на еще не раскопанных участках, в земле по-прежнему может содержаться достаточно ртути, чтобы вызвать резонные опасения у грядущих археологов

См. также: Философский камень (ок. 800), Токсикология (1538), Серебрение зеркал (1856), Сальварсан (1909), Бораны и вакуумная магистраль (1912), Отравление таллием (1952).

Фарфор (ок. 200 г.)

Эренфрид Вальтер фон Чирнхаус ( 1651–1708 ), Иоганн Фридрих Бёттгер ( 1682–1719 )

«Протофарфор» производили в Китае одним-двумя тысячелетиями раньше, однако настоящий фарфор археологи обнаруживают лишь при раскопках объектов, датируемых поздним ханьским периодом (завершившимся примерно в 220 г.). При династиях Сун и Тан ( 581–970 ) фарфор делали уже в гораздо более впечатляющих количествах. Прочная и красивая керамика стала важной статьей экспорта: вначале в страны исламского мира, а затем, с XIV в., и в Европу. Удивительно, что на протяжении всего этого периода больше нигде в мире не научились изготавливать фарфор.

Изготовление керамики в Китае освоили очень давно: по-видимому, первые изделия делали тут еще 20 тыс. лет назад. Фарфор как таковой изобретали, так сказать, постепенно: гончары все больше совершенствовали свои методы, стремясь продавать все новые и новые виды товаров. Состав керамических материалов различен, но для их производства неизменно требуется хороший источник каолиновой глины (названной так в честь одной деревни на юго-западе Китая). В числе других ингредиентов — толченое стекло, некоторые минералы (полевой шпат, алебастр или кварц), а кроме того, костная зола. При производстве фарфора существуют два ключевых фактора: содержание воды в смеси, которое надо поддерживать в очень узких пределах, и высокие температуры обжига (более 1200°С), позволяющие на финальной стадии работы получить стекловидную фазу, которую смешивают с тонкими иголочками алюмосиликатного минерала муллита.

В Европе предпринималось бесчисленное множество попыток воспроизвести китайскую методику. Первых успехов добились в Саксонии (ныне — часть Германии). Иоганн Фридрих Бёттгер, именовавший себя алхимиком, к 1704 г. достиг такой известности, что Август Сильный (саксонский курфюрст и король Польши) даже посадил его в дрезденскую тюрьму, надеясь заставить делать золото. Руководить им был поставлен немецкий физик, врач и философ Эренфрид Вальтер фон Чирнхаус, пытавшийся изготавливать фарфор для Августа (тот считал, что это может стать хорошим источником дохода для государства). После того как ученым в 1708 г. доставили образцы каолиновой глины и алебастра, фарфор у них получился. В том же году фон Чирнхаус внезапно умер, и Бёттгера, отпущенного на свободу, назначили управляющим фабрики фарфора, открывшейся в Мейсене в 1710 г. А всего через два года некий иезуитский священник обнародовал китайские методы, применение которых наблюдали его собратья по ордену. Технология производства фарфора быстро распространилась по всей Европе.

Китайская фарфоровая статуэтка, изображающая Гуаньинь, буддийскую богиню милосердия. Ныне находится в шведском музее Халлвил

Философский камень (ок. 800 г.)

Абу Муса Джабир ибн Хайян ( ок. 721 — ок. 815 )

К началу IX в. научный прогресс происходил главным образом лишь в исламской и китайской цивилизациях. Абу Муса Джабир ибн Хайян (на Западе его называли Гебером), живший на территории нынешнего Ирака, занимался медициной, алхимией, астрологией и нумерологией: в те времена все они считались равно достойными науками (более того, они были не так уж далеки друг от друга). Его труды привлекли огромное число последователей, многие из которых, судя по всему, попросту называли ибн Хайяна автором их собственных рукописей (что и дало начало безнадежно запутанной алхимической литературе). Мало утешает и то, что эти труды зачастую изобилуют сложными символами, возможно, вообще не поддающимися сегодня расшифровке (отсюда-то и взялось английское слово gibberish — «бессвязная чепуха», «бессмыслица»). К примеру, подробную методику изготовления живых скорпионов из алхимических смесей явно не следует понимать буквально, однако мы уже не можем выяснить, что все это значит на самом деле.

Впрочем, более удобочитаемые работы, подписанные именем ибн Хайяна, показывают, что он был очень трудолюбивым экспериментатором. В частности, он заверял читателя: единственный способ овладеть хоть какими-то научными знаниями и навыками — постоянно практиковаться в лаборатории (большинство современных химиков наверняка согласятся с этим). Он полагал, что металлы фундаментальным образом отличаются от неметаллов, состоят из ртути и различных форм серы, а также что металлы можно превращать один в другой, если удастся выяснить тайну этих смесей. Ключом к такому процессу, считал он, может служить некий мощный реагент или эликсир (позже названный философским камнем). Сия идея оказалась столь заманчивой, что запустила целую исследовательскую программу для алхимиков грядущих веков. До нас дошел манускрипт XIII в., написанный по-латыни и подписанный именем «Гебер»: в нем содержится множество теоретических рассуждений по поводу философского камня. Кем бы ни был реальный автор, он наверняка решил, что репутация ибн Хайяна по-прежнему достаточно крепка и смело позаимствовал его славное имя, несмотря на то, что после смерти знаменитого ученого прошло четыре сотни лет.

В алхимической рукописи XVI в. показан процесс изготовления философского камня — в серии загадок, ребусов и криптограмм. Может, это и впечатляет, но в современной лаборатории от такой методики проку мало

См. также: Ртуть (210 до н. э.), Алхимия (ок. 900).

Порох (ок. 850 г.)

Вероятно, порох открыли алхимики, пытавшиеся превратить один металл в другой или продлить человеческую жизнь, а не оружейники, старавшиеся изобрести взрывчатку. Одно внушительных размеров китайское руководство по военному делу (написанное в 1044 г. в середине правления династии Сун) перечисляет целый ряд различных рецептур пороха — похоже, в этой сфере древние химики много и активно работали. Однако первое дошедшее до нас упоминание о порохе содержится в даосском тексте середины IX в., где подчеркивается его опасная воспламеняемость. Алхимия придавала особое значение сере, а кроме того, в любой уважающей себя лаборатории того времени имелся древесный уголь, который использовали в качестве топлива. Третий ключевой ингредиент, окислитель нитрат калия, содержался в селитре — широко распространенном природном минерале, а также в кристаллах, вырастающих в пещерах вокруг залежей помета летучих мышей. Тот, кто впервые соединил все три порошка и поднес смесь к огню, наверняка тут же понял, что совершил важнейшее открытие. Впрочем, продление человеческой жизни, как вскоре выяснилось, не относится к числу достоинств пороха.

Сведения о новом оружии быстро распространились по всему Китаю и просочились за его пределы. Монгольские завоевательные походы XIII в. разнесли новость еще дальше — от Индии до Европы. Китайцы постоянно повышали долю нитрата калия в своем порохе, производя все более мощные взрывы. В нескольких китайских военных рукописях можно встретить и первые артиллерийские снаряды, и взрывающиеся стрелы, и целый ряд довольно жутких бомб. В своем трактате «Об искусстве верховой езды и военной стратегии» (ок. 1280 г.) сирийский химик Хасан аль-Раммах подробно описывает 107 различных взрывчатых смесей и называет нитрат калия «китайским снегом». Европейские армии быстро приняли порох на вооружение. Первая иллюстрация, на которой изображено огнестрельное оружие — примитивная металлическая пушка pot-de-fer (т. е., в переводе с французского, «железный горшок»), из ствола которой торчит гигантская стрела, — появляется в рукописи 1326 г., написанной английским ученым Уолтером де Мильметом. Не уверен, что это хорошо, но с тех пор человечество с огнестрельным оружием не расстается.

Взрывы пороховых ядер во время монгольского вторжения в Японию (1274): картина написана примерно через 20 лет после битвы

См. также: Греческий огонь (ок. 672), Алхимия (ок. 900), Нитроглицерин (ок. 1847), Взрыв на заводе компании PEPCON (1988).

Дагерротипы (1839 г.)

Жозеф Нисефор Ньепс ( 1765–1833 ), Луи Жак Манде Дагер ( 1787–1851 )

Фотография — самое знаменитое использование прикладной фотохимии. Посредством камеры обскуры (прибора, позволяющего проецировать изображения на поверхность при помощи света, линз и зеркал) французский изобретатель Жозеф Нисефор Ньепс пытался, применяя определенные химикаты, сделать то, для чего раньше обязательно требовались глаза и рука художника. В ходе процесса, который он назвал гелиографией («солнечным письмом»), Ньепс покрывал металлическую пластинку фоточувствительным агентом — битумом (одной из тяжелых фракций нефти, встречающихся в природе), затем помещал пластинку в камеру обскуру, чтобы спроецировать на нее изображение, и несколько часов выдерживал ее на солнце. Более ярко освещенные области затвердевали под действием солнечных лучей (вероятно, благодаря свободнорадикальной полимеризации), а затененные незатвердевшие участки смывались специальным растворителем. Так в 1826 г. появились первые «постоянные» фотографии. Но поскольку для их получения требовались долгие часы экспозиции, методика оказалась неудобной с практической точки зрения.

Дагерротипический портрет самого Дагера (1844)

Французский художник и фотограф Луи Жак Манде Дагер, сотрудничавший с Ньепсом, продолжил работу коллеги и после его смерти. Он применил в качестве светочувствительного агента более перспективные вещества — соединения серебра. После многочисленных опытов Дагер получил металлические пластинки, покрытые иодидом серебра. Они оказались настолько чувствительными, что для возникновения изображения хватало нескольких минут экспозиции. Пластинку проявляли при помощи паров ртути, а получавшееся изображение состояло из темного сплава (амальгамы) ртути и серебра. Но после проявки такая пластинка сохраняла светочувствительность, и для того, чтобы сделать изображение долговечным, требовалось удалить непрореагировавший иодид серебра. Вскоре Дагер обнаружил, что снимкам можно придать дополнительную привлекательность (и долговечность), обработав их солями золота.

Дагерротипы, впервые явленные публике в 1839 г., произвели настоящую сенсацию, особенно после того, как процесс достаточно усовершенствовали, чтобы использовать его для создания портретов. Впрочем, время экспозиции (от 10 до 60 с) все-таки обычно приводило к тому, что портретируемые выглядели несколько скованно, даже если их снимали в самых комфортных условиях. И вообще вся эта процедура была сложной, дорогостоящей и токсичной. Но она стала самой первой — и она изменила мир.

Начальники пожарных команд фирм Phoenix Fire Company и Mechanic Fire Company (Чарлстон, Южная Каролина, ок. 1855)