Текст книги "Занимательно о химии"

Автор книги: Лев Власов

Соавторы: Дмитрий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 13 страниц)

А вот любопытная экономическая справка: мировое производство ТЭСа ныне столь велико, что создается угроза довольно быстрого исчерпания естественных ресурсов свинца.

У ТЭСа есть одно неприятное качество – высокая токсичность. Вы, вероятно, видели на баках многих грузовых автомобилей предостерегающую надпись: «Этилированный бензин – яд!» С бензином, содержащим ТЭС, нужно обращаться очень осторожно.

ТЭС – пионер среди антидетонаторов топлива. Он остался важнейшим среди них и в настоящее время. Но ученые серьезно подумывают о его замене другим веществом, столь же эффективным, но совершенно безвредным.

Одно из них уже найдено. Его именуют ЦТМ. Если хотите узнать, что это такое, прочтите следующий рассказ.

Необычные бутерброды

Металлоорганических соединений в наши дни известно очень много: одним десятком тысяч здесь уже не ограничишься. Но лет пятнадцать назад в металлоорганике существовал досадный провал. Химикам никак не удавалось включить в органические молекулы так называемые переходные металлы. Металлы, которые в периодической системе Менделеева располагаются в побочных подгруппах. А таких металлов без малого пять десятков. Если и доводилось химикам получать их органические соединения, то они оказывались чрезвычайно непрочными, эдакой «металлоорганической экзотикой».

В 1951 году вмешался в дело (как это не раз бывало в истории науки) Его Величество Случай. Английский химик Паусон дал задание своему студенту Кили. Нельзя сказать, чтобы задание было таким уж сложным. Кили надлежало синтезировать углеводород с довольно длинным названием: дициклопентадиенил. Для этого требовалось спарить два пятичленных углеродных цикла. Иными словами, из двух соединений с формулой С ₅Н ₅получить одно: С ₁₀Н ₈(предполагалось, что 2 атома водорода должны отщепиться).

Кили знал, что такая реакция пойдет только в присутствии катализатора, и выбрал хлористое железо.

В одно прекрасное утро Паусон и Кили от удивления развели руками. Продуктом реакции оказалась не бесцветная жидкость, а красивые оранжевые кристаллы, притом весьма стойкие. Они выдерживали нагревание почти до 500 градусов – дело в органике далеко не столь уж частое.

Но удивление учителя и ученика возросло еще боле, когда таинственные кристаллы подвергли химическому анализу. Действительно, было чему поражаться: кристаллы содержали углерод, водород и… железо. Типичный переходный металл железо «запросто» объединился с типичными органическими веществами.

И формула этого железоорганического соединения оказалась необычной:

Оба кольца (циклопентадиены) – правильные плоские пятиугольники. Они словно два ломтя хлеба, между которыми вложена «закуска» – атом железа. Такого рода соединения называют «Сандвичевыми» (так как их строение напоминает английский сандвич).

Ферроцен (это имя дали нашему железоорганическому соединению) стал первым представителем семейства «сандвичевых».

Строение ферроцена мы для простоты изобразили сугубо схематично в одной плоскости; в действительности же его молекула имеет более сложную пространственную структуру.

Синтез ферроцена оказался одной из крупнейших сенсаций в современной химии. И теоретикам и практикам пришлось пересмотреть многие считавшиеся незыблемыми представления о возможностях металлоорганики.

Ферроцен родился в 1951 году. Ныне же таких «ценов» несколько десятков. «Сандвичевые» соединения получены почти для всех переходных металлов.

Пока они представляют интерес для химиков-теоретиков. Что до практического использования, здесь еще много неясного. Однако…

Тут-то и наступает очередь познакомиться с ЦТМ.

Полное название этого вещества очень длинное, но легко запоминается, потому что звучит наподобие детской считалки:

 
Циклопентодиенил —
Марганецтрикарбонил.
 

И строение его молекулы нетрудно изобразить:

Просто вместо другого «куска хлеба» (циклопентадиенильного кольца) «закуска» (атом марганца) связана с тремя молекулами окиси углерода.

ЦТМ – прекрасный антидетонатор. Лучше нашего старого знакомца ТЭСа. И по своим рабочим характеристикам и потому еще, что почти безвреден. Он проходит всестороннюю практическую проверку. Уже мчатся грузовики с буквами ЦТМ на бензобаках.

Полная замена ТЭСа на ЦТМ, как подсчитали экономисты, может дать годовую экономию в 3 миллиарда рублей. Но это не самый главный выигрыш – здоровее и чище станет воздух наших городов.

Странные причуды угарного газа

Соединение совсем нехитрое. Всего один атом углерода и один кислорода. В быту называется угарным газом, в науке – окисью углерода. Весьма ядовито, в химические реакции вступает неохотно – вот краткая характеристика вещества с примитивной формулой CO.

…Так было или не совсем так, но в 1916 году на одном немецком химическом заводе произошло событие малоинтересное. Понадобился кому-то старый-престарый стальной баллон (в нем лет пять кряду под давлением хранили смесь двух газов – водорода и окиси углерода). Его вскрыли, газы выпустили, а на дне баллона обнаружили немного жидкости светло-коричневого цвета, с неприятным, каким-то «пыльным» запахом.

Оказалось, что жидкость эта – известное, но очень редкое химическое соединение атома железа с пятью молекулами угарного газа. Пентакарбонил железа Fe(CO) ₅– так именовалось оно в химических справочниках.

(Кстати, о судьбах научных открытий. Пентакарбонил железа в один и тот же день – 15 июня 1891 года – получили двое ученых: Бертло во Франции и Монд в Англии. Право, такие совпадения встречаются не столь уж часто.)

Разобрались, как возникло вещество в баллоне. Здесь не было ничего сверхъестественного. Водород сделал внутреннюю железную поверхность вместилища чрезвычайно активной, восстановив окислы железа до металла. Угарный газ, находясь под давлением, прореагировал с железом. Изучив механизм реакции, химики на этом же заводе сконструировали аппарат, в котором можно было получать килограммы вещества.

Дело в том, что пентакарбонил оказался нужным для практики. Он неплохо зарекомендовал себя в качестве антидетонатора (прямо скажем, везет нам на них!). Было даже создано специальное горючее с добавкой пентакарбонила железа – так называемый моталин. Но недолго проездили автомобили на моталине. Пентакарбонил слишком легко разлагался на составные части, и железный порошок забивал поршневые кольца двигателей. А тут еще подоспело открытие ТЭСа…

Отметим про себя легкость разложения пентакарбонила железа и обратимся на время к проблемам несколько иного плана.

Карбонилов теперь известно множество: для хрома и молибдена, вольфрама и урана, кобальта и никеля, марганца и рения. По свойствам эти соединения различаются: одни – жидкости, другие – твердые тела; одни – неустойчивы, другие, напротив, достаточно прочны.

Но есть у них одно общее и весьма любопытное качество: обычные представления о валентности неприменимы для объяснения строения карбонилов.

Вспомните: в комплексных соединениях к ионам металлов присоединяются нейтральные молекулы, притом в различном количестве. Поэтому в химии комплексных соединений пользуются понятием не валентности, а координационного числа. Оно показывает, сколько молекул, атомов или сложных ионов связано с центральным атомом.

Карбонилы еще более своеобразные плоды выдумки природы. В них с нейтральными молекулами связаны нейтральные атомы. Валентность металлов в этих соединениях приходится считать равной нулю! Ведь окись углерода – нейтральная молекула.

Вот еще один из парадоксов химии, и, признаться, он до сих пор не имеет строгого теоретического объяснения.

На этом мы закончим маленький теоретический экскурс.

Карбонилы металлов оказались лакомым кусочком для практики.

Например, в роли катализаторов.

Но это амплуа карбонилов не самое главное. Есть кое-что и поважнее.

Вернемся еще раз на тот самый завод, на складе которого был найден старый баллон, на дне которого обнаружилась непонятная жидкость, которая оказалась пентакарбонилом железа, который…

«Который», словом, начали получать чуть ли не в промышленном масштабе. Но вот однажды рабочий, приставленный к аппарату синтеза, замечтался, и началась утечка пентакарбонила. Пары вещества оседали на стальной лист, лежавший неподалеку. Рабочий, наконец, обнаружил аварию и быстро ее ликвидировал, нечаянно столкнув лист в пролет здания.

Охотничья байка гласит: «Раз в год и палка стреляет». Стальной лист, мирно лежавший на солнце, упав вниз, взорвался.

Специальная «комиссия по расследованию» провела не одно заседание, прежде чем эксперты констатировали: лист «взорвался» потому, что был покрыт чрезвычайно мелким порошком железа. Всякие измельченные порошки вообще склонны к взрыву – взрывает, например, мучная пыль, сахарная пудра.

Железный порошок на листе образовался в результате разложения пентакарбонила.

Приготовление мельчайших металлических порошков путем разложения карбонилов металлов чрезвычайно заинтересовало ученых.

Они выяснили, что такие порошки отличаются весьма своеобразными свойствами. Размеры их частиц исключительно малы, чуть более микрона. Например, порошок железа можно получить в виде пышной железной «ваты», состоящей из прочных металлических цепочек.

Укладываясь на горячей поверхности, карбонилы образуют на ней весьма прочную и тонкую пленку. И при всем этом порошки и пленки обладают ценнейшими магнитными и электрическими свойствами, что открыло им широкую дорогу в радиотехнику и электронику.

Карбонильные порошки привлекательны и для порошковой металлургии.

Красное и зеленое

Они оба – сложнейшие органические вещества. Чтобы изобразить их структурные формулы, понадобилась бы целая страница в нашей книжке. Оба они комплексные соединения, притом необычные: единственный атом металла славно затерялся в центре сложного ажурного каркаса, состоящего из нескольких циклов. Химики называют такие соединения внутрикомплексными.

Они – это гемоглобин и хлорофилл. Красный цвет крови, зеленая окраска растений – их рук дело. Эти два вещества держат ключи ко всему живому на Земле.

«Стержень» гемоглобина – атом железа. Кровь разных животных содержит различные гемоглобины, но устроены в основе своей они одинаково. В крови человека около 750 граммов гемоглобина.

Гемоглобин переносит кислород от органов дыхания к тканям организма.

Хлорофилл устроен почти так же. Но атом металла в нем иной, это атом магния. Жизненная функция хлорофилла очень ответственна и сложна. С его помощью растения ассимилируют углекислый газ из воздуха.

Химики лишь начинают познавать сущность механизма работы гемоглобина и хлорофилла. Видимо, очень существенную роль играют центральные атомы металлов – железа и магния.

Но оказывается, у природы чрезвычайно богатая фантазия. Железо и магний – вовсе не единственные металлы, которые могут забираться внутрь порфинового скелета (так называется органический каркас, общий для гемоглобина и хлорофилла). В амплуа металлического «стержня» могут выступать медь, марганец и ванадий.

Обитают на Земле существа с… голубой кровью. Это некоторые виды моллюсков. В гемоглобине их крови железо отсутствует; его место занимает медь.

Вот какие удивительные экспонаты обнаруживаются в нашем химическом музее!

Все в одном

В начале 30-х годов нашего века геохимики высказали очень интересную гипотезу. В любом природном образце, утверждали они, будь то осколок камня, деревянный брусок, щепоть земли, капля воды – словом, всюду можно отыскать атомы всех до единого химических элементов, известных на Земле.

Такое предположение поначалу показалось фантастическим. Но взор аналитической химии с каждым годом становился все острее. Методы анализа позволяли обнаруживать миллионные и миллиардные доли грамма веществ. И выяснилось, что если идея геохимиков верна и не на все сто процентов, то, во всяком случае, не так уж далека от истины.

Действительно, интересно: в камне, поднятом на берегу реки, мы находим кремний и алюминий, калий и цинк, серебро и уран – чуть ли не всю периодическую систему Менделеева. Конечно, большинство элементов будет содержаться в количестве считанных атомов – любопытен сам факт.

Наивно было бы думать, что в найденном камне все элементы входят в состав какого-то одного соединения. Отнюдь нет! Мы имеем дело со сложной смесью сложных химических веществ. Главную роль в них играют кремний, алюминий и кислород. Остальных же элементов меньше, а многие вообще составляют ничтожную примесь.

Так в природе. А в химической лаборатории? Могут ли ученые приготовить соединение, в молекулу которого входили бы все элементы менделеевской таблицы?

Химикам приходилось получать очень сложные вещества, состоящие более чем из десятка элементов. Но немногим более. И никто пока еще не ставил себе задачу создать такую молекулярную постройку, где химическими узами связались бы все обитатели Большого дома. Не только потому, что руки не дошли, да и для практики это малоинтересно. Соорудить такую молекулу-монстра чрезвычайно трудно.

Трудно, но, по-видимому, возможно.

Редкое химическое соединение удается получить в один прием, провести реакцию в одну стадию. Если бы мы задались целью построить молекулу, объемлющую все химические элементы, потребовались бы многие десятки, а то и сотни стадий. Столь сложное «здание» можно воздвигнуть только по частям.

Мы не беремся изобразить на бумаге формулу даже простейшего варианта гипотетического «всеэлементного» соединения. Просто потому, что никто еще не продумал путей его создания.

Когда нет проекта, нет чертежей сооружения, его невозможно представить себе отчетливо. Можно только фантазировать.

Самый необычный атом, самая необычная химия

Вот символ этого удивительного атома – Ps. Но не пытайтесь отыскать его в менделеевской таблице. Потому что это вовсе не атом какого-либо химического элемента.

И живет он ничтожное мгновение – меньше одной десятимиллионной доли секунды. Однако про него нельзя сказать, что он радиоактивен.

Ps расшифровывается как позитроний. Его устройство чрезвычайно просто.

Возьмите атом водорода, наипростейший атом химического элемента. Один электрон вращается вокруг одного-единственного протона.

Атом позитрония возникает при определенных видах радиоактивных превращений, которые сопровождаются испусканием позитрона. На какое-то, очень короткое, время позитрон с электроном образуют устойчивую систему.

В позитронии роль протона исполняет элементарная частица позитрон. Это антипод электрона. У позитрона такие же размеры, та же масса, и отличается он лишь тем, что имеет противоположный (положительный) заряд.

Если позитрон и электрон сталкиваются, то им обоим приходит конец. Они, как говорят физики, аннигилируют. Иными словами: превращаются в ничто. А если быть более точными – в излучение.

Но перед тем как исчезнуть, два непримиримых врага короткое мгновение существуют рядом друг с другом. Тогда и рождается атом-призрак позитроний. Атом без ядра, так как электрон и позитрон вращаются вокруг общего центра тяжести.

Кому интересен позитроний? Ну, казалось бы, только физикам-теоретикам; может, еще писателям-фантастам, которые ищут новые типы горючего для своих звездолетов.

Но вот недавно в США вышла в свет толстенная книжка под названием «Химия позитрония». Это никакой не фантастический роман. Книга написана серьезными учеными и толкует о том, как исследователи используют необычный атом для своих нужд.

Во время своей короткой жизни позитроний способен вступить в химическую реакцию. Особенно легко он реагирует с химическими соединениями, у которых сохранились свободные валентности. Эти неиспользованные вакансии и занимают атомы позитрония.

С помощью специальных приборов химики прослеживают характер распада позитрония, забравшегося в молекулу вещества. Оказывается, в зависимости от строения молекулы он распадается по-разному. Это позволяет химикам исследовать тонкие детали молекулярных конструкций, решать многие сложные и спорные вопросы, где другие методы бессильны.

Еще раз про алмаз

В нашем химическом музее алмаз все-таки не самый главный экспонат. Для уникума он слишком бесхитростен. Его своеобразный углеродный скелет ныне никого не удивляет. Еще в семнадцатом столетии химики совершенно элементарно сожгли алмазный кристалл с помощью солнечных лучей и обыкновеннейшей лупы…

Химики давно размышляли о другом. Нельзя ли графит превратить в алмаз? Ведь и тот и другой – это углерод. Дело оставалось за малым: найти возможность графитовый углеродный каркас перестроить в алмазный, из очень мягкого материала приготовить очень твердый. Ничего не отнимая и ничего не добавляя.

В конце концов такую возможность нашли. Это весьма занятная история, и в свое время мы о ней поведаем. Пока же отметим: чтобы изготовить искусственный алмаз, понадобились гигантские давления.

Потому в качестве героя настоящего очерка мы выбираем давление. Да не какое-нибудь обычное – в одну, две, десять атмосфер, а давление сверхвысокое. Когда на квадратный сантиметр поверхности давят силы в десятки и сотни тысяч килограммов.

Итак, сверхвысокие давления позволяют получать вещества, ранее невиданные.

Скажем, во времена алхимиков известны были две разновидности фосфора – белый и красный. Теперь к ним добавилась третья – черный фосфор. Самый тяжелый, самый плотный, он проводит электрический ток ничуть не хуже многих металлов. Фосфор, типичный неметалл, превратился под влиянием сверхвысоких давлений в почти что металлическое вещество. И притом устойчивое.

Примеру фосфора последовал мышьяк, потом некоторые другие неметаллы. И каждый раз ученые отмечали разительные перемены в свойствах. Тяжелая рука сверхвысокого давления меняла эти свойства прямо на глазах. С точки зрения физики ничего необычного здесь не происходило. Попросту сверхвысокое давление перекраивает кристаллическую структуру элементов и их соединений. Делает их более металличными.

Так родился сугубо физический термин: «металлизация давлением».

…Придет время, и космонавты вступят на поверхность Луны, Марса, Венеры. Затем придет очередь иных, более далеких и еще более загадочных миров. Люди много раз будут сталкиваться с необычным, неожиданным, неведомым.

Но нас сейчас интересует лишь одна частность.

Всюду ли химические элементы одинаковы? Простирается ли могущество периодического закона и таблицы Менделеева на все без исключения космические тела? Или же гениальное творение русского ученого действует только в ограниченных, земных рамках?

Да простит нас читатель, что мы столь часто ставим вопросительные знаки! Но право же, ставить вопросы куда легче, чем давать на них ответы.

Философы придерживаются вполне определенного мнения. Они считают так. Периодический закон и периодическая система одинаковы для всего мироздания. В этом их всеобщность. Одинаковы, но при одной существенной оговорке: там, где окружающие условия не слишком сильно отличаются от земных, где температура и давления не измеряются многозначными числами.

В этом их ограниченность.

Неизвестное под ногами

«Прежде чем считать звезды, посмотри под ноги», – гласит одна восточная поговорка.

Так ли уж хорошо знаем мы нашу грешную планету? К сожалению, очень мало. Мы плохо осведомлены о том, как устроен земной шар внутри, из каких веществ состоят его далекие глубины.

Здесь еще полным-полно всяких гипотез, и ни одной из них нельзя отдать предпочтения.

Правда, буровые скважины достигли уже семикилометровой глубины! И уже начат штурм глубин еще более внушительных. В пятнадцать-двадцать километров. Но примите во внимание, что радиус Земли составляет 6300 километров.

Другая восточная поговорка гласит: «Чтобы узнать вкус ореха, его надо раскусить».

Грубо говоря, наша планета устроена подобно ореху. Сверху скорлупа – земная кора; внутри ядро. В Земле между корой и ядром залегает толстенная прокладка – так называемая мантия.

С грехом пополам мы знаем, из чего состоит земная скорлупа. Даже не скорлупа, а та тонкая, нежная кожурка, которая обволакивает сверху молодой орех. Как построена мантия и тем более ядро – пока уравнение со многими неизвестными.

Решительно утверждать можно лишь одно. Вещества, слагающие земные толщи, совершенно необычные. Ведь чем ближе к центру Земли, тем сильнее давление вышележащих слоев. В ядре давления достигают астрономической величины – 3 миллионов атмосфер.

Кстати, о земном ядре. Ученые не одно столетие спорят о его устройстве. Сколько ученых – столько и гипотез.

Одни считают, что планета имеет железо-никелевое ядро. Другие смотрят иначе. По их мнению, строительный ядерный материал – минерал оливин. В обычных условиях он представляет собой смесь силикатов магния, железа и марганца. Чудовищное давление внутри ядра превращает оливин в своеобразную металлоподобную материю. Наконец, третьи идут еще дальше. Они утверждают: центральная часть ядра состоит из водорода, сжатого до полного отвердения и потому имеющего необычные металлические свойства. Четвертые…

Лучше поставим точку. «Чтобы узнать вкус ореха, надо его раскусить». Но до земного ядра добраться удастся не скоро.

Мы знаем о его устройстве куда меньше, чем о составе атомного ядра. Это ли не парадокс?

Да, неизвестное у нас под ногами! Настоящая кладовая чудес для химика: элементы в необычных кристаллических состояниях; неметаллы, превратившиеся в металлы; самые разнообразные соединения, свойства которых даже трудно себе представить…

Удивительная химия глубин!

А пока же, как не без остроумия заметил советский ученый А. Ф. Капустинский, наша химия остается еще весьма «поверхностной» наукой.

Однако сохраняет ли периодическая система элементов свою силу и в самых глубоких толщах? Да, пока не меняется электронная структура атомов. Пока электроны размещаются на тех оболочках, где им положено быть.

Но «статус-кво» сохраняется до поры до времени.

Когда одно и то же вовсе не одно и то же

Нет, мы еще не распрощались со сверхвысоким давлением. Сейчас оно преподнесет нам новый сюрприз.

Электронное окружение ядра – конструкция довольно прочная. Она может потерять несколько электронов, и тогда атом становится ионом. Этот процесс происходит сплошь да рядом при химических взаимодействиях.

Она может лишиться многих электронов, может, наконец, растерять их все, так что останется «голое» ядро. Такое наблюдается при температурах в миллион градусов. Например, в звездах.

Но вот задачка другого рода. Общее число электронов не меняется, иным становится их расположение. Они по-другому размещаются на электронных оболочках. А если электроны сгруппировались не так, как обычно, то изменятся и свойства атома, свойства элемента.

Это, так сказать, текст под иллюстрацией. Теперь сама иллюстрация.

Вам не составит труда изобразить атом калия. У него четыре оболочки. Ближайшие к ядру (K и L) заполнены до отказа: первая содержит 2, вторая 8 электронов. На них при обычных условиях больше электронов не поместится. Зато две другие далеки от завершения. На M-оболочке всего 8 электронов (когда положено 18), а N-оболочка вообще только начала застраиваться (1 электрон), причем раньше, чем нацело закончилась предыдущая.

У калия впервые отмечается непоследовательное, ступенчатое формирование электронных оболочек.

Но мы можем вообразить и такой случай. Собственный, «калиевый» электрон, вместо того чтобы входить в четвертую оболочку, начал продолжать третью (ведь в ней-то осталось еще десять вакантных мест).

Фантастика? В обычных условиях – да. Но стоит вступить в действие сверхвысоким давлениям, как ситуация может измениться.

При сверхвысоких давлениях электронное окружение ядра сильно сжимается. Тогда-то и становятся возможными всякого рода «провалы» внешних электронов в глубже лежащие незаполненные оболочки.

Скажем, наружный электрон калия из четвертой оболочки вдавливается в третью. И в M-оболочке будет теперь девять электронов.

Что же получается? Порядковый номер калия (19) тот же. Количество электронов такое же. Словом, никакого превращения элементов не произошло.

И в то же время наш старый знакомый щелочной металл калий перестает быть нашим знакомым. Вместо него появляется некто неизвестный, с тремя оболочками вместо четырех, с девятью электронами на внешней оболочке вместо столь привычного одного. А стало быть, и химический характер «новокалия» придется изучать с самого начала.

Каким окажется этот характер, можно лишь догадываться: еще никто не держал в руках и крупицы «калия-оборотня».

Если же сверхвысокое давление будет наращивать мощь, то и другие, идущие за калием, элементы потеряют свое привычное лицо. Ступенчатое заполнение электронных оболочек – закон для менделеевской таблицы – исчезнет. Пока одна оболочка не кончит свое строительство, следующая останется пустой.

…Это будет тоже периодическая система. Другая, не менделеевская. Ее обитатели (кроме элементов первых трех периодов) окажутся иными. Ее «щелочными» металлами станут медь и прометий, «благородными газами» – никель и неодим, у которых закончат формирование соответствующие внешние оболочки.

Вот какой может оказаться «глубинная» химия! Необычные валентности, странные свойства, удивительные соединения…

Заманчиво? Чрезвычайно! Реально? Кто знает… Вероятно, здесь опять потребуется «сумасшедшая» идея – ведь речь идет о получении материи совершенно нового типа. Положим, что она действительно существует при сверхвысоких давлениях. В обыкновенных же условиях она должна приобрести форму обычных элементов.

Задержать, «заморозить» такой переход – вот в чем задача. Удастся ее решить, и мы получим фактически еще одну науку химию. Химию номер два.