Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена
Скользкий, но неподдающийся
Незадолго до Второй мировой войны в лабораториях американской компании «Дюпон» (DuPont) был создан фторсодержащий полимер тефлон. Он обладал удивительными свойствами — поразительной стойкостью к кислотам, щелочам и высоким температурам, да к тому же оказался невероятно скользким. Чего только не пытались из него изготовить, вплоть до искусственных человеческих суставов!
Появлением в нашем быту этого вещества, по правилам химической терминологии называемого политетрафторэтиленом, мы обязаны инженеру одного из заводов фирмы «Дюпон». История открытия тефлона в определенном смысле типична — в истории многих химических открытий случайность играет особую роль. Так вот, при уборке цеха одного из заводов обнаружился старый ненужный баллон с газом тетрафтор-этиленом (этилен, у которого все атомы водорода замещены фтором C2F4). Такого рода газы используют в охлаждающих системах холодильников, это и есть один из пресловутых фреонов, якобы разрушителей озонового слоя атмосферы (см. главу 16). Просто так выбросить баллон было нельзя, в таких баллонах газы обычно находятся под давлением до 150 атмосфер, а это очень много и есть опасность взрыва. Газ был уже не нужен, вентиль осторожно открыли, и — ничего не произошло, баллон оказался практически пуст. Но науке и нам с вами повезло: инженер удивился и приказал баллон разрезать. На дне баллона лежало немного белого порошка, который не растворялся ни в одной из известных кислот, щелочей, не горел и ни с чем не реагировал. А что же произошло? Под огромным давлением газ полимеризовался в знаменитый сейчас политетрафторэтилен, который получил короткое, благозвучное и запатентованное фирменное наименование тефлон. Этот тефлон настолько инертное вещество, что его даже называют органической платиной, которая, как известно, очень стойкий металл. Именно этой инертностью и нулевой адгезионной способностью объясняется использование тефлона для изготовления кухонной посуды. Адгезионная способность — это свойство прилипать к другим материалам. К тефлону ничего не прилипает, и пища, хоть до угольев сгорая, не пригорит к такой сковородке. Поэтому при жарении на ней нет необходимости в «прокладке» и можно жарить без масла. Впрочем, с покрытой тефлоном посудой тоже нужно обращаться аккуратно. На всякий случай несколько рекомендаций для профессионалов кухни.
Сейчас в любом хозяйственном магазине можно встретить посуду с покрытием из политетрафторэтилена, но покупать все-таки следует продукцию только известных фирм. Опасность заключается в том, что низкокачественное покрытие может разлагаться при перегреве (например, если вы оставили на огне кастрюлю без воды), а одним из продуктов этого разложения является боевое отравляющее вещество газ фосген! Никаких китайских дешевых подделок — скупой платит дважды, а в случае «левого» тефлона вторая покупка может и не состояться.
Еще не так давно при готовке в посуде с тефлоновым покрытием нельзя было пользоваться ножом, вилкой и другими металлическими приборами из-за возможности повредить полимерный слой. Однако сейчас в продаже появились современные разработки с очень устойчивым покрытием. Но все равно стоит выяснить, можно ли резать пиццу прямо на сковородке или требуются специальные деревянные или пластмассовые приборы. В любом случае посуду с таким покрытием не следует чистить никакими абразивными порошками, да это и не нужно, поскольку остатки пищи легко удаляются обычными моющими средствами на мягкой тряпочке или даже простой струей воды.
Кстати, случайно был открыт еще один суперскользкий материал. Ученые из Министерства энергетики США занимались синтезом веществ с термоэлектрическими свойствами, в которых при нагревании появляется электродвижущая сила (электроток). Однажды они изготовили керамический материал, состоящий из сплава бора, магния и алюминия AlMgB14 и неметаллического борида титана TiB2. Желаемыми термоэлектрическими свойствами этот композит не обладал, зато, как выяснилось совершенно случайно, у него оказался удивительно низкий коэффициент трения — 0,02, а по твердости композит уступал лишь алмазу и другому особо твердому веществу — кубическому нитриду бора. Для сравнения: коэффициенты трения тефлона и стали, покрытой смазкой, равны соответственно 0,05 и 0,16.
Новый композитный материал исследователи назвали BAM по первым латинским буквам входящих в его состав элементов бора, алюминия и магния и наловчились получать его сейчас в промышленных масштабах, однако объяснить наличие у ВАМ таких удивительных свойств пока не смогли. Обычно твердые вещества имеют простую, регулярную и симметричную кристаллическую решетку, как тот же алмаз, а у ВАМ — решетка составная, несимметричная и с множеством дефектов, которая совершенно несвойственна твердым веществам.
По поводу уникально низкого коэффициента трения, то есть высокой «скользкости», у исследователей есть некоторые соображения. Они полагают, что входящий в состав материала бор реагирует с кислородом воздуха с образованием окисла, который, в свою очередь, поглощает из воздуха молекулы воды, а те работают как сверхтонкая смазка. Именно тонкий слой воды под острием конька позволяет фигуристам выписывать на льду невероятные пируэты.
В качестве твердого материала ВАМ может заменить гораздо более дорогой алмаз. Хотя алмаз все-таки тверже ВАМ, он химически взаимодействует со сталью и довольно быстро разрушается, например, на станках для резки металла. А скользкий ВАМ — нет. К тому же в качестве идеальной смазки ВАМ имеет практически неограниченные области применения. Надо полагать, что скоро появятся сковородки с покрытием из ВАМ вместо тефлона.
Фосфор благодатного огня
Самым знаменитым случайным химическим открытием далекого прошлого, несомненно, является получение белого фосфора алхимиком Хеннигом Брандом (около 1630–1710). Алхимики, как известно, занимались поиском философского камня, который превращает любой металл в золото и заодно делает человека бессмертным. Видимо, чтобы у него было время потратить это золото. При этом мечтавшие получить философский камень алхимики и покровительствовавшие им короли и прочие правители совершенно не разбирались в экономике, что неудивительно — они только тратили деньги, а не зарабатывали их. Золото потому и является ценным металлом, что его мало, а если бы люди научились с помощью философского камня изготавливать его в неограниченных количествах, то его цена сравнялась бы с ценой того металла, из которого золото бы делали, скорее всего, со стоимостью недорогой меди. Когда в эпоху Великих географических открытий испанцы начали привозить десятки и сотни тонн золота из Америки, в Европе началась дикая инфляция и вместо процветания во многие страны пришел голод.
Однако по ходу дела алхимики сделали массу открытий, разработали множество приемов работы в лаборатории и придумали химическую посуду, а про алхимика Иоганна Бёттгера (1682–1719), работавшего при дворе саксонского курфюрста Августа Сильного, даже говорили, что он таки открыл способ получения золота. Вряд ли это так, но зато Бёттгер примерно в 1710 году сумел изготовить первым в Европе знаменитый и дорогой фарфор, позже получивший название майсенского. Об открытии же Бранда обычно говорят с усмешкой — пикантность ситуации заключается в том, что в качестве исходного сырья для изготовления своего философского камня Бранд использовал мочу, причем не свою (этого сырья не хватило бы для опытов), а мочу солдат местного гарнизона. Причем ушлый начальник гарнизона еще и содрал с него за мочу некоторое количество деньжат!
Бранд перегонял мочу в огромных количествах и в конце концов получил пару сотен граммов сухого остатка, которые решил прокалить с углем и песком. Он, конечно, не знал о присутствии в человеческой моче фосфатов, которые реагируют с песком (диоксидом кремния) с образованием пятиокиси фосфора, восстанавливающейся углем до элементарного фосфора, причем в данном случае его белой аллотропической модификации:
4Na3PO4 + 6SiO2 + 5C = 6Na2SiO3 + 5CO2 + 4P
Белый фосфор легко окисляется кислородом воздуха до своего оксида и при этом светится слегка зеленоватым, очень красивым светом. Увидев это свечение, Бранд пришел в изумление, а потом быстро смекнул, что тут можно подзаработать — показывать явление за деньги. И хотя белый фосфор не стал философским камнем — он не превращал железо или медь в золото, Бранду он золото все же принес: великолепное самосветящееся вещество стоило даже дороже золота. По крайней мере до того момента, пока великий швед Карл Шееле не разработал способ получения фосфора из золы после обжига костей животных и, к сожалению, людей. Впрочем, чаще всего преступников. Кости представляют собой сложный комплекс из органического вещества и минеральных солей — фосфатов кальция и магния, карбоната и хлорида кальция и многих других. Фосфор получим, заменив фосфат натрия в приведенной выше реакции на эти фосфаты кальция и магния. Открытие шведа Шееле лучше всех использовали его соотечественники, и поэтому шведские спички считались лучшими в мире и широко экспортировались, в том числе в Россию. Именно поэтому рассказ Антона Павловича Чехова называется «Шведская спичка».
