Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена
Карозерс не зря жаловался на свое психическое нездоровье. В возрасте 41 года, через два дня после дня рождения, он покончил с собой в гостиничном номере одного из филадельфийских отелей. Будучи действительно выдающимся, широко эрудированным химиком, он хорошо знал, что токсическое действие солей синильной кислоты усиливается в кислой среде. Он выпил раствор цианистого калия в кислом лимонном соке. Надо сказать, что ампулу с цианидом он много лет держал при себе. На запатентованном компанией «Дюпон» способе производства нейлона фирма до сих пор зарабатывает миллиарды долларов, в лаборатории Карозерса химики компании впоследствии синтезировали такие знаменитые полимеры, как лайкра и кевлар (материал для бронежилетов), а также полиэтилентерефталат, из которого сейчас изготавливают немнущиеся ткани и бутылки для воды и пива. Впрочем, независимо от американских химиков полимеризацию сложных эфиров осуществили и в СССР. Материал из отечественного полиэтилентерефталата был назван у нас лавсаном, но не нужно переводить это название как «любимый сынок». Лавсан — это аббревиатура от «Лаборатория высокомолекулярных соединений Академии наук».
Полуслучайные открытия, или конец аристократов
Если тефлон был открыт случайно, а нейлон — намеренно, то открытие соединений благородных газов можно назвать полуслучайным. Благородные газы, а их всего шесть — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, — до середины прошлого столетия считались совершенно инертными: они не реагировали даже с сильнейшим окислителем фтором, почему и были названы благородными. Для них в Таблице Менделеева удачно нашлась подгруппа VIII-a (в VIII-b расположены, например, железо, платина и недавно синтезированный дармштадтий), хотя иногда благородные газы помещают в специально для них организованную нулевую группу между ярко выраженными металлами и неметаллами. Однако в 1962 году произошло невероятно важное событие в истории неорганической химии: было получено первое устойчивое химическое соединение одного из благородных газов, после чего они навсегда потеряли свою аристократичность. (Надо сказать, что до того химикам удавалось получать гидраты инертных газов, но в них связи не химические, а слабые молекулярные.)
Среди всех стран мира по добыче урана лидирует Канада. Неудивительно, что в этой североамериканской стране много занимаются исследованиями химических свойств урана. Отделение радиоактивного изотопа урана-235 от нерадиоактивного урана-238 производится путем центрифугирования газообразного фторида урана UF6 — под действием центробежной силы фторид более тяжелого изотопа урана-238 отбрасывается к стенкам центрифуги, а более легкий фторид концентрируется в ее центре. Вот почему в Канаде много занимаются и исследованием химических свойств фтора, этого сильнейшего окислителя, оказавшегося, однако, не самым сильным окислителем в природе. Приехавший на работу в Канаду английский химик Нил Бартлетт с увлечением изучал фториды, правда, не урана, а платины. Он заново синтезировал красный гексафторид платины PtF6 (этот продукт реакции фтора и платины получали и до него) и собирался более подробно исследовать свойства этого вещества. Далее версии расходятся. По одной из них, Бартлетт просто долго хранил кристаллы гексафторида платины в ампуле, содержащей также обычный воздух. По другой версии, Бартлетт хотел очистить гексафторид от, возможно, присутствовавшего в этом веществе брома, для чего нагревал PtF6 в трубке, ожидая увидеть желтые пары брома.
Однако в обоих случаях в емкости с гексафторидом появилось ярко-оранжевое вещество. Удивленный Бартлетт сумел провести химический анализ этого продукта реакции гексафторида с чем-то из воздуха (больше-то ничего не было) и обнаружил, что в составе оранжевых кристаллов имеется кислород. Удалось и установить их формулу, это оказался гексафторплатинат оксигенила O2[PtF6]. Катионом в нем является положительный однозарядный ион кислорода — катион оксигенила O2+. Другими словами, гексафторид платины оказался мощнейшим окислителем, сумевшим отобрать электрон даже у такого сильного окислителя, как кислород.
Пока все шло сравнительно случайно. Но тут начинается чистая наука. Было измерено так называемое сродство к электрону, то есть энергия, выделяющаяся в результате присоединения электрона к чему-либо, в данном случае к гексафториду платины. Её величина оказалась равной 6,8 электрон-вольта, что вдвое больше, чем сродство к электрону самого фтора, а эта энергия была уже давно измерена. И тогда Бартлетт задумался: а не сможет ли его гексафторид отнять электрон у какого-нибудь инертного газа? Например, у ксенона с минимальной для инертных газов энергией такого отрыва, которая называется потенциалом ионизации, и она у ксенона даже немного меньше, чем у кислорода.
Сразу же был поставлен опыт: в емкость, разделенную перегородкой на две части, в различные отсеки были помещены ксенон и газообразный гексафторид платины — довольно летучее вещество, его кристаллы испаряются при нагревании. Бартлетт вытащил перегородку, содержимое отсеков перемешалось, и ученый не поверил собственным глазам: мгновенно образовалось желтое вещество, формулу которого ученый определил как Xe[PtF6]. В дальнейшем оказалось, правда, что формула несколько иная, но это уже было совершенно не важно, поскольку с того момента началась химия бывших благородных, а теперь простонародных газов. Сегодня уже получены соединения криптона, радона и совсем недавно — аргона. Гелий и неон пока держатся.
Итак, мы обсудили случайные, не случайные и полуслучайные открытия. Осталось, пожалуй, поговорить о лжеоткрытиях, тем более что некоторые из них нанесли огромный вред и мировой экономике, да и самой великой химической науке.
Глава 17
Иллюзии и заблуждения
Жадное до полезных ископаемых человечество пока не дотянулось только до двух регионов на планете — Арктики и Антарктики. Международному сообществу удалось договориться, что Антарктику оставят в покое и территории южнее 60-й параллели будут исключительно полигоном для научных исследований. А вот разрабатывать арктические богатства никому не запрещено, правда, существуют определенные ограничения. Например, добычу полезных ископаемых может вести только государство, обладающее исключительными правами на шельф (материковая почва, затопленная океаном). Границы шельфа в большинстве случаев давно установлены, однако в Арктике до сих пор остались огромные пространства с неустановленными геологическими характеристиками, например хребет Менделеева или хребет Ломоносова, который Россия и Дания, точнее, принадлежащий ей остров Гренландия, считают продолжением именно своего шельфа.
Твердый газ
При чем здесь химия? А вот как раз очень даже при чем, поскольку на этом шельфе залегают в несметных количествах очень необычные полезные ископаемые — газовые гидраты метана (газогидраты), твердые растворы метана во льду. Не надо удивляться понятию твердого раствора, в действительности каждый из нас имеет дело с такими растворами круглые сутки. Например, обычная нержавейка — твердый раствор хрома и никеля в железе. «Золотое» кольцо — твердый раствор серебра или меди в золоте, причем далеко не факт, что золота в кольце действительно 75 % (проба 750), а не меньше вследствие ловкости рук жуликоватого ювелира.
С достаточно высокой концентрацией метана во льду газогидраты могут существовать только при высоких давлениях и низких температурах, которые как раз и имеются на дне океанов и в зоне вечной мерзлоты. При понижении давления из газогидрата выделяется метан, аналогично тому, как выделяются пузырьки газа при откупоривании бутылки с газированной водой. Таким образом, газогидраты — это как бы замерзшая газировка. Иногда газовые гидраты называют клатратами (от латинского «в клетке»), потому что газ заперт в кристаллической решетке льда, как в тюремной камере. Проблема заключается в том, что до сих пор не существует надежной и экономически оправданной технологии добычи этого гидратного газа. Для расплавления подводных или подземных гидратов можно подавать в скважину горячую воду и солевые растворы или понижать давление в скважине, но все эти методы пока неэффективны.
Кстати, недавно американские и датские ученые подсчитали, на сколько именно «несметны» арктические запасы нефти и газа. Они составили хитроумную программу для компьютерного моделирования процессов образования углеводородов на шельфе. Результаты оказались действительно потрясающими и намного превышающими прежние оценки: в Арктике содержится примерно 30 % всех мировых запасов природного газа и 13 % нефти. Если раньше стоимость арктических углеводородов оценивалась в сотни миллиардов долларов, то теперь речь должна идти о триллионах. Некоторые месторождения можно разрабатывать уже сегодня, другие — через лет десять, когда глобальное потепление приведет к таянию ледового панциря. Впрочем, с газогидратами связаны и предсказания будущего Армагеддона. Так, широко обсуждается гипотеза о возможном высвобождении гидратного метана при повышении температуры из-за глобального потепления — гипотеза «клатратного ружья». Дело в том, что метан является парниковым газом и выделение его вызовет дальнейшее потепление — и еще большее выделение метана. Остановить этот процесс, как и выпущенную из ружья пулю, будет уже невозможно. Впрочем, многие ученые не разделяют мнение о парниковом характере потепления атмосферы Земли. Сейчас мы расскажем, почему они так думают.
