Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

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 CaC2, 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.

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.

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.

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.