Занимательно о химии

Змея, кусающая свой хвост

Почти все, что окружает нас на Земле, состоит из химических соединений. Из самых разнообразных сочетаний химических элементов.

Лишь ничтожная доля земной материи предстает в виде элементарных веществ: благородные газы, платиновые металлы, углерод в различных формах — вот, пожалуй, и все.

Возможно, в очень отдаленные времена тот сгусток космической материи, из которой в конце концов, образовалась наша планета, состоял целиком из одних лишь атомов почти сотни химических элементов. Шли столетия, тысячелетия, миллионы лет. Менялись условия. Атомы взаимодействовали друг с другом. Начала свою работу гигантская химическая лаборатория природы. Природа-химик в течение долгой своей эволюции научилась готовить самые разнообразные вещества. От простейшей молекулы воды до бесконечно сложных белков.

Эволюция земного шара и жизни на нем во многом обязана химии.

Ибо все многообразие химических соединений возникло благодаря процессам, называемым химическими реакциями. Они подлинная душа науки химии, ее главное содержание. Невозможно даже приблизительно подсчитать, сколько химических реакций происходит в мире, скажем, в течение всего лишь одной секунды.

Чтобы человек мог произнести, например, слово «секунда», в его мозгу должны совершиться многие химические процессы. Мы говорим, думаем, радуемся, печалимся — и за всеми этими действиями скрываются миллионы химических реакций. Они проходят для нас незримо, но огромную массу химических взаимодействий мы наблюдаем ежедневно, походя, совершенно не вдумываясь в их содержание.

…Бросили в крепкий чай кружочек лимона — и цвет напитка бледнее, чиркнули спичкой — и загорелся деревянный стержень, дерево превратилось в уголь.

Все это химические реакции.

Первобытный человек, который научился разжигать костер, был и первым химиком. Он по своему желанию осуществил первую химическую реакцию — реакцию горения. Самую нужную, самую важную в истории человечества.

Она давала нашим далеким предкам тепло, обогревала их жилища в холодные дни. В наше время она открыла путь в космос, подняв в небо многотонные ракеты. Легенда о Прометее, подарившем людям огонь, в то же время и легенда о первой химической реакции.

Когда простые или сложные вещества вступают во взаимодействие друг с другом, они обычно дают знать об этом.

Бросьте в раствор серной кислоты кусочек цинка. Моментально от него побегут пузырьки газа, а пройдет некоторое время — и металлическая стружка исчезнет. Цинк растворится в кислоте; при этом будет выделяться водород. Как все происходило, вы видели своими глазами.

Или подожгите комок серы. Он загорится голубоватым пламенем, и вы почувствуете удушливый запах: сера соединилась с кислородом и образовала химическое соединение — сернистый ангидрид.

Стоит смочить белый порошок безводной сернокислой меди CuSO₄ водой, как он синеет. Соль соединилась с водой, и образовались синие кристаллы медного купороса CuSO₄ · 5H₂O. Вещества такого вида называются кристаллогидратами.

Вам знаком процесс гашения извести? Негашеную известь обливают водой, получается гашеная известь Ca(OH)₂. Цвет вещества не изменился, но легко удостовериться, что реакция прошла. Как? При гашении извести выделяется много тепла.

Первое непременное условие всех до единой химических реакций: они идут с выделением или поглощением тепловой энергии. Иногда тепла выделяется так много, что это легко обнаружить на ощупь. Если мало, то помогают специальные методы измерения.

Страшная это штука — взрыв. Страшная потому, что взрыв происходит мгновенно. В считанные доли секунды.

А что такое взрыв? Самая обыкновенная химическая реакция, сопровождающаяся выделением большого количества газов. Пример моментально протекающего химического процесса. Скажем, горение пороха в патронной гильзе. Или взрыв динамита.

Взрыв — все-таки своего рода крайность. Большинство реакций проходят в более или менее продолжительные промежутки времени.

Течение многих реакций вроде бы и не удается обнаружить.

…В стеклянном сосуде смешаны два газа — водород и кислород, составные части воды. Сосуд может стоять сколько угодно: месяц, год, сто лет. Однако на поверхности стекла не видно ни единой капельки влаги. Похоже, что водород вовсе не соединяется с кислородом. Да нет, соединяется. Только чрезвычайно медленно. Чтобы на донышке сосуда образовалось чуть заметное количество воды, должны пройти тысячелетия.

В чем дело? В температуре. При комнатной температуре (15–20 градусов) водород и кислород взаимодействуют, но чрезвычайно медленно. Однако стоит нагреть сосуд, как его стенки запотевают: верный признак протекающей реакции. При 550 градусах сосуд разлетится на мелкие осколки: при такой температуре водород и кислород реагируют со взрывом.

Почему же тепло так ускоряет течение этого химического процесса, заставляет черепаху двигаться со скоростью молнии?

Водород и кислород в свободном виде существуют в форме молекул Н₂ и О₂. Чтобы соединиться в молекулу воды, они должны столкнуться. Чем чаще такие столкновения, тем с большей вероятностью образуется молекула воды. При комнатных температуре и давлении каждая молекула водорода сталкивается с молекулой кислорода… более десяти миллиардов раз в секунду. Если бы любое столкновение приводило к химическому взаимодействию, реакция прошла бы быстрее взрыва: за одну десятимиллиардную долю секунды!

Но мы не заметим в нашем сосуде никаких изменений ни сегодня, ни завтра, ни через десять лет. В обычных условиях очень редкое столкновение приводит к химической реакции. И секрет в том, что сталкиваются молекулы водорода и кислорода.

Прежде чем вступить в реакцию, они должны распасться на атомы. Точнее говоря, валентные связи между атомами кислорода и атомами водорода в их молекулах должны ослабнуть. Ослабнуть настолько, чтобы не препятствовать объединению разнородных атомов водорода и кислорода. Температура и играет роль кнута, подстегивающего реакцию. Она во много раз увеличивает число столкновений. Она заставляет молекулы сильнее колебаться, и это ослабляет валентные связи. А когда водород и кислород встречаются на атомном уровне, то реагируют мгновенно.

Вообразим себе такую картину.

Не успели мы смешать водород с кислородом, как моментально появились пары воды. Едва железная пластинка пришла в соприкосновение с воздухом, как тут же покрылась рыжеватыми разводами ржавчины, а минуло еще немного времени, и твердый блестящий металл превратился в рыхлый порошок окисла.

Все до единой химические реакции в мире стали протекать с завидной скоростью. Все молекулы начали реагировать друг с другом независимо от того, какой энергией они обладают. Каждое столкновение двух молекул приводило к вступлению их в химический союз.

На Земле исчезли металлы — они окислились. Сложные органические вещества, в том числе и те, что входят в состав живой клетки, превратились в простые, но более устойчивые соединения.

Странный мир получился бы тогда. Мир без жизни, мир без химии, фантастический мир очень устойчивых соединений, не имеющих никакого желания вступать в химические взаимодействия.

К счастью, такой кошмар нам не грозит. На пути всеобщей «химической катастрофы» стоит чудесный барьер.

Этот барьер представляет собой так называемую энергию активации. Чтобы молекулы смогли вступить в химическую реакцию, их энергии должны быть не меньше соответствующих величин энергии активации.

Даже при обычной температуре, например, среди молекул водорода и кислорода отыщутся такие, у которых энергия равна энергии активации или больше ее. Потому-то образование воды идет в этих условиях, хотя и чрезвычайно медленно. Просто слишком мало достаточно энергичных молекул. А высокая температура приводит к тому, что активационного барьера достигают многие молекулы, и число актов химического взаимодействия водорода и кислорода возрастает в огромной степени.

У медицины есть свой символ, дошедший до нас из очень отдаленных времен. И сейчас, скажем, на погонах военных врачей можно увидеть змею, обвившуюся вокруг чаши.

Оказывается, нечто подобное есть и у химии. Это змея, кусающая свой хвост.

У древних народов существовал культ всевозможных мистических знаков, смысл которых затрудняются объяснить современные историки.

Мистика мистикой, а в «химическую змею» вложено вполне определенное содержание. Она символизирует обратимую химическую реакцию.

Два атома водорода и атом кислорода, соединяясь, дают молекулу воды. Одновременно другая молекула воды распадается на составные части. В одно и то же мгновение протекают две противоположные реакции: образование воды (прямая реакция) и ее распад (обратная реакция). Химик, желая отобразить на бумаге эти два противоречивых процесса, напишет: 2H₂ + O₂2H₂O. Стрелочка с острием направо показывает ход прямой реакции, с острием налево — направление реакции обратной.

В принципе все до единой химические реакции обратимы.

Сначала преобладает прямая реакция. Чаша весов склоняется в сторону образования молекул воды. Потом нарастает реакция противоположная. И наконец, наступает момент, когда число образующихся молекул равно числу распадающихся. Слева ли направо, справа ли налево — реакции идут с одинаковой скоростью.

Химик скажет: наступило равновесие.

Рано или поздно оно устанавливается в любой химической реакции. Иногда мгновенно. Иногда через много дней. Раз на раз не приходится.

В своей практической деятельности химия преследует две цели. Во-первых, она стремится достичь того, чтобы химический процесс дошел до конца, чтобы все исходные продукты прореагировали между собой. Во-вторых, она ставит задачу добиться максимального выхода нужного продукта. Для осуществления этих целей необходимо как можно дольше оттянуть момент наступления химического равновесия. Прямая реакция — да, обратная — нет.

Тут-то химику и приходится стать немного математиком. Он определяет отношение двух величин: концентрации образовавшихся веществ к концентрации веществ, первоначально вступивших в реакцию.

Это отношение — дробь. Всякая дробь тем больше, чем больше ее числитель и чем меньше знаменатель.

Если преобладает прямая реакция, количество получившихся веществ со временем превысит количество исходных. Числитель станет больше знаменателя. Получится неправильная дробь. Если наоборот, налицо дробь правильная.

Химик называет величину этой дроби константой равновесия реакции К. Если он хочет, чтобы химическая реакция дала наибольшее количество нужного продукта, то предварительно должен рассчитать значение К при разных температурах.

А вот как эта «арифметика» выглядит на практике.

При комнатной температуре К для синтеза аммиака равна примерно 100 миллионам. Казалось бы, смесь азота и водорода в таких условиях моментально должна превратиться в аммиак. Однако не превращается. Очень уж мала скорость прямой реакции. Может, выйти из положения поможет повышение температуры?

Нагреваем нашу смесь до 500 градусов…

В этот момент химик схватит нас за руку:

— Что вы делаете! У вас ровным счетом ничего не получится!

Право же, он нас вовремя одернул, этот химик со своими расчетами. Они вот что показывают: при температуре в полтысячи градусов К составляет всего-навсего… шесть тысяч, 6 · 10³! «Зеленая улица» обратной реакции 2NH₃ → 3H₂ + N₂. А мы бы нагревали и нагревали смесь и диву давались, почему у нас ничего не получается.

Для синтеза аммиака наиболее выгодны возможно низкая температура и возможно высокое давление. Здесь помогает еще один закон, управляющий миром химических реакций.

Этот закон носит название принципа Ле-Шателье, в честь открывшего его французского ученого.

Представим себе пружину, вделанную в неподвижную опору. Если ее не сжимать и не растягивать, то можно сказать, что она находится в равновесии. Если сжимать ее или, наоборот, растягивать, пружина из состояния равновесия выходит. Одновременно начинают расти силы ее упругости: они-то и противодействуют сжатию или растяжению пружины. Наконец наступает момент, когда обе силы уравновешиваются. Пружина снова оказывается в равновесном состоянии. Но это будет уже иное, не начальное равновесие. Оно смещено в сторону сжатия или растяжения.

Изменение состояния равновесия у деформируемой пружины представляет собой аналогию (правда, грубую) действию принципа Ле-Шателье. Вот как его формулирует химия. Пусть внешняя сила действует на систему, находящуюся в равновесии. Тогда равновесие смещается в направлении, которое указывается внешним воздействием. Смещается до тех пор, пока силы противодействия не уравняются с внешними.

Вернемся к примеру с получением аммиака. По уравнению реакции его синтеза мы видим, что из четырех объемов газов (три объема водорода и один объем азота) получается два объема газообразного аммиака (2NH₃). Увеличение внешнего давления всегда приводит к уменьшению объема. В данном случае оно выгодно. «Пружина сжимается». Реакция идет в основном слева направо: 3H₂ + N₂ → 2NH₃, и выход аммиака увеличивается.

При синтезе аммиака выделяется тепло. Если мы будем нагревать смесь, то реакция пойдет справа налево. Потому что нагревание ведет к увеличению объема газов, а ведь объем исходных продуктов (3H₂ и N₂) больше объема получившегося продукта (2NH₃). Следовательно, обратная реакция преобладает над прямой. «Пружина» растягивается.

В обоих случаях установится новое равновесие. Но в первом оно будет соответствовать увеличению выхода аммиака, а во втором — резкому уменьшению.

Лет сто с лишком назад один химик осторожно ввел платиновую проволочку в сосуд, где находилась смесь водорода и кислорода.

Произошло необычное. Сосуд наполнился туманом — водяными парами. Температура осталась неизменной, давление таким, как было, а реакция взаимодействия водорода с кислородом, «рассчитанная» на тысячелетия, прошла за несколько секунд.

Удивительное на этом не кончилось. Платиновая проволочка, моментально соединившая два газа, совершенно не изменилась. Ее внешний вид, ее химический состав, ее вес после опыта были точно такие же, как и до опыта.

Ученый отнюдь не был иллюзионистом, из тех, что изобретают хитроумные фокусы, очаровывая любопытную публику. Он был серьезным исследователем — немецкий химик Дёберейнер. А явление, которое он наблюдал, называют теперь катализом. Вещества, способные превращать «черепах» в «молнии», именуются катализаторами. Катализаторов прямо-таки неисчислимое количество. Ими могут быть металлы, твердые и порошкообразные, окислы самых различных элементов, соли, основания. В чистом виде и в виде смесей.

Без катализатора процесс синтеза аммиака малоэффективен, как бы мы ни варьировали величины давлений и температур. Иное дело — в присутствии катализатора. Самое обычное металлическое железо с примесью окислов алюминия и калия значительно ускоряет эту реакцию.

Химия двадцатого столетия обязана своим неслыханным расцветом именно применению катализаторов. Да что там! Разнообразные жизненные процессы протекают в животных и растительных организмах благодаря специальным катализаторам — ферментам. Химия неживого и живого — вот сфера действия удивительных ускорителей!

А если вместо платиновой проволочки взять медную, алюминиевую, железную? Снова затуманятся стенки сосуда? Увы! Водород и кислород вовсе не желают взаимодействовать так, как они соединялись по мановению волшебной платиновой палочки…

Не всякое вещество может ускорять тот или иной процесс. Потому химики и говорят, что катализаторы обладают избирательностью действия: могут активно влиять на одну реакцию, совершенно не обращая внимания на другую. Конечно, есть и исключения из этого правила. Скажем, окись алюминия способна катализировать несколько десятков различных реакций синтеза как органических, так и неорганических соединений. Наконец, разные катализаторы могут заставить смесь одних и тех же веществ реагировать по-разному, давать различные продукты.

А вот пример веществ, не менее удивительных, — промоторы. Взятые сами по себе, они никак не влияют на ход реакции: не ускоряют и не замедляют ее. А добавленные к катализатору, ускоряют реакцию в гораздо большей степени, чем это сделал бы он один. Платиновая проволочка, «загрязненная» железом, алюминием или двуокисью кремния, произвела бы в смеси водорода и кислорода еще более впечатляющий эффект.

Есть, оказывается, и другой катализ. Катализ шиворот-навыворот. Есть антикатализ и антикатализаторы. Или ингибиторы, как их называют ученые. В переводе на русский язык это означает «замедлители». Их задача — замедлять быстро текущие химические реакции.

…В стеклянной колбе смешаны два газа — хлор и водород. При обычных условиях они взаимодействуют очень медленно. Но подожжем около колбы магниевую стружку.

Моментально происходит взрыв. (Если кто надумает проделать подобный опыт, то категорически обязательно упрятать колбу под колпак из толстой проволоки.)

Почему же смесь хлора и водорода взрывается под действием яркого света?

Здесь происходит цепная реакция. Если бы нагрели колбу градусов до семисот, она тоже бы взорвалась: хлор и водород соединились бы мгновенно. В долю секунды. Нас бы это не удивило. Ведь тепло во много раз повысило бы энергию активации молекул. Но в опыте, о котором мы только что рассказали, температура нисколько не менялась. Свет вызвал эту реакцию.

Кванты, мельчайшие порции света, несут большую энергию. Гораздо больше той, что требуется для активирования молекулы. Вот на пути светового кванта встречается молекула хлора. Квант разрывает ее на атомы и передает им свою энергию.

Атомы хлора оказываются в возбужденном, богатом энергией состоянии. Такие атомы, в свою очередь, обрушиваются на молекулы водорода, разрывают их на атомы. Один из них соединяется с атомом хлора. Другой остается на свободе. Но он возбужден. Он жаждет поделиться своей энергией. С кем? Да с молекулой хлора. Как только он с ней сталкивается, флегматичной молекуле хлора приходит конец.

И опять на свободе оказывается активный хлорный атом, и он недолго ищет, куда приложить свою силу.

Так и получается у нас длинная последовательная цепочка реакций.

Стоит реакции начаться, как все новые и новые молекулы будут активироваться благодаря энергии, которая выделяется в результате реакции. Скорость реакции нарастает подобно снежной лавине, несущейся с гор. Когда лавина достигнет подножья долины, она замирает. Цепная реакция затихает, когда все молекулы будут увлечены ею, все молекулы водорода и хлора прореагируют.

Химики знают множество цепных реакций. А изучил, как они протекают, наш выдающийся ученый Николай Николаевич Семенов. Известны цепные реакции и физикам. Например, деление ядер урана нейтронами — образчик физической цепной реакции.

Странное занятие на первый взгляд выбрал себе солидный человек, к которому все знакомые относились с большим уважением.

Сначала он изготовлял небольшие металлические диски. Много десятков дисков — медных и цинковых. Потом принялся вырезать кружочки из губки и пропитывал их соленой водой. Затем человек стал накладывать свои заготовки друг на друга так, как ребенок строит пирамиду. Правда, при этом соблюдалась определенная последовательность: медный диск — губчатый кружочек — диск из цинка. Одно и то же сочетание кружочков повторялось много раз. Словом, до тех пор, пока столбик не обрушивался.

Человек прикоснулся мокрыми пальцами к основанию своего оригинального сооружения — и тут же отдернул руку. Как говорится в просторечье, его основательно «дернуло» электрическим током.

Так в 1800 году знаменитый итальянский физик Алессандро Вольта изобрел гальванический элемент — химический источник тока. Электричество в «вольтовом столбе» возникало благодаря химическим реакциям.

Это было рождение новой науки — электрохимии.

В руках ученых появился прибор, который позволял в течение длительного времени получать электрический ток. До того момента, пока в «вольтовом столбе» не прекратятся химические процессы.

Заманчивым казалось выяснить, как действует электричество на самые различные вещества.

Англичане врач Карлейль и инженер Никольсон выбрали в качестве объекта изучения воду. К тому времени у химиков было достаточно оснований утверждать, что вода состоит из водорода и кислорода. Но окончательно подтвердить эту догадку на опыте как-то не удавалось.

Ученые использовали электрическую батарею, состоящую из 17 элементов Вольта. Она давала очень сильный ток. И вода бурно стала разлагаться на два газа — водород и кислород, начался ее электролиз. Именно так называют процесс разложения веществ электрическим током.

Сотни и тысячи доменных печей выплавляют сталь и чугун во всем мире. Экономисты в разных странах скрупулезно подсчитывают, сколько миллионов тонн металла приготовлено в этом году, делают прогнозы, сколько выплавят в следующем.

И те же экономисты сообщают нам потрясающий факт: каждая восьмая домна работает впустую. Ежегодно около 12 процентов добычи металла бесславно теряется для человечества, приносится в жертву беспощадному врагу…

Этот враг попросту именуется ржавлением. Наука называет его коррозией металлов.

Гибнут не только черные, гибнут и цветные металлы — медь, олово, цинк.

Коррозия — это окисление металлов. Ведь большинство из них не очень-то устойчивы в свободном состоянии. И даже на воздухе блестящая поверхность металлического предмета со временем покрывается зловещими разноцветными разводами окисей.

Окисляясь, металлы и сплавы утрачивают свои многие ценные качества. Ухудшается прочность и эластичность, снижается теплопроводность и электропроводность.

Раз начавшись, процесс коррозии не останавливается на полпути. Пусть не сразу, но «рыжий дьявол» до конца поедает металлическое изделие. Молекулы кислорода попадают на поверхность металла. Образуются первые молекулы окисла. Возникает, как говорят, окисная пленка. Она достаточно рыхлая, и через нее, как сквозь сито, «просеиваются» атомы металла, чтобы немедленно окислиться. И наоборот, через поры пленки лезут в глубь металла кислородные молекулы и продолжают свою разрушительную работу.

В более агрессивном химическом окружении процесс коррозии течет стремительнее. Хлор, фтор, сернистый газ, сероводород не менее опасные враги металлов. Когда металл корродирует под действием газов, химики называют это явление газовой коррозией.

А различные растворы? И они страшны для металла. Например, обыкновенная морская вода. Громадные океанские суда приходится время от времени отводить в доки на капитальный ремонт: менять изъеденную коррозией обшивку днища и бортов.

Впрочем, послушайте-ка историю о том, как однажды жестоко просчитался один американский миллионер.

Он пожелал иметь лучшую яхту в мире. Заказал проект, придумал волнующее название «Зов моря». Денег не жалел. Исполнители из кожи вон лезли, чтобы угодить заказчику. Оставалось немногое — отделать каюты.

Но яхта так и не вышла в море. Море ее не дозвалось. Корпус и днище яхты незадолго до торжественного дня оказались разрушенными коррозией.

Почему? Да потому, что коррозия — это процесс электрохимический.

Строители яхты хотели обшить ее днище так называемым монель-металлом — сплавом из никеля и меди. Их решение было правильным: ведь этот сплав, хотя и дорог, но зато очень устойчив к коррозии в морской воде. Устойчив, но механически не очень прочен. И многие детали судна пришлось делать из других металлов — специальных сталей.

Это и погубило яхту. В местах соприкосновения монель-металла и стали возник мощный гальванический элемент, и днище моментально начало разрушаться. Финал был печален.

Огорчение миллионера не поддавалось описанию, а строителям яхты пришлось навсегда запомнить один из законов коррозии: ее скорость резко увеличивается, если в основной металл добавляются другие, которые образуют с ним гальванический элемент.

Много веков стоит в Дели удивительная колонна. Потому удивительная, что сделана она из чистейшего железа. Время над ней не властно. Века проходят, а колонна все выглядит как новенькая, не ржавеет. Словно коррозия изменила здесь своим привычкам…

Как древнейшим металлургам удалось выплавить чистое железо — полнейшая загадка. Кое-кто из горячих умов утверждал, что не человеческих рук это дело. Дескать, пришельцы из иных миров воздвигли этот обелиск в память своего пребывания на Земле.

Но если лишить колонну загадочного ореола ее происхождения, остается чрезвычайно важный для химиков факт: чем чище металл, тем медленнее разрушается он коррозией. Хочешь успешно бороться с ней, применяй как можно более чистые металлы.

И не только одна чистота здесь существенна. Важно, чтобы поверхность металлической детали была обработана тщательно. Ведь отдельные «бугорки» или «впадины» могут, оказывается, играть роль посторонних включений. Ученым и инженерам удалось достичь почти идеальной гладкости поверхности. Изделия с такой поверхностью уже нашли применение в конструкциях ракет и космических кораблей.

Итак, проблема борьбы с коррозией решена? Отнюдь нет. Получить очень чистые металлы, и притом в огромных количествах, — дело трудоемкое, сложное, да и весьма дорогое. Опять же техника больше предпочитает иметь дело со сплавами: у них ведь гораздо богаче диапазон различных свойств. А сплав — это уже два металла как минимум.

Правда, химики достаточно хорошо изучили всевозможные механизмы коррозии. И, готовясь получить новый сплав с заранее заданными свойствами, внимательно обдумывают и «коррозионную» сторону вопроса. Теперь создано много сплавов, отличающихся большой устойчивостью к коррозии.

В быту повсюду встречаются оцинкованные и луженые изделия. Железо покрывают пленкой цинка или олова для предохранения от ржавления. До поры до времени помогает и такой способ. Или вспомните железные крыши домов, покрашенные плотным слоем масляной краски.

Ослабить, уменьшить коррозию — это значит еще и каким-то путем резко замедлить скорость электрохимических реакций, которые составляют суть коррозионного процесса. Для этого и применяют специальные неорганические и органические вещества — так называемые ингибиторы.

Сначала их искали ощупью. На них наталкивались случайно.

Оружейники еще в допетровской Руси применяли любопытный способ. Чтобы очистить ружейные стволы от окалины, они промывали (протравляли) их серной кислотой. А в кислоту предварительно насыпали пшеничные отруби. Благодаря этому примитивному методу удавалось предохранить металл от растворения в кислоте.

Теперь поиск новых ингибиторов не вдохновенное искусство, не ожидание счастливой случайности, а точная наука. Известны сотни самых разнообразных химических замедлителей коррозии.

О «здоровье» металлов следует заботиться ранее, чем они «заболеют» коррозией. Вот главная задача химиков — врачевателей металлов.

Сколько известно состояний вещества? Современные физики насчитывают — ни много, ни мало — семь. Три из них весьма широко известны: газ, жидкость, твердое тело. Собственно, в обиходе ни с какими другими мы практически не встречаемся.

Да и химия довольствовалась ими в течение многих столетий. И лишь в последнее десятилетие она стала иметь дело с четвертым состоянием вещества. С плазмой.

Плазма, если хотите, тоже газ. Но газ необычный. В ее состав входят не только нейтральные частицы — атомы и молекулы, но также ионы и электроны. Ионизированные частицы присутствуют и в обыкновенном газе, и чем выше его температура, тем их больше. Поэтому четкой границы между ионизированным газом и плазмой нет. Однако условно считается, что газ превращается в плазму, когда начинает проявлять основные ее свойства, скажем высокую электропроводность.

Как ни парадоксально на первый взгляд, во вселенной плазма — хозяин положения. Вещество Солнца и звезд, газов космического пространства находится в состоянии плазмы. Это естественная плазма. На Земле же ее приходится готовить искусственно, в специальных устройствах, называемых плазмотронами. В них с помощью электрической дуги различные газы (гелий, водород, азот, аргон) превращаются в плазму. Поскольку светящаяся струя плазмы сжата узким каналом сопла плазмотрона и магнитным полем, то в ней развивается температура в несколько десятков тысяч градусов.

О таких температурах уже давно мечтали химики, ведь роль высоких температур для многих химических процессов трудно переоценить. Теперь эта мечта сбылась, и родилась новая отрасль химии — плазмохимия, или химия «холодной» плазмы.

Почему «холодной»? Да потому, что существует еще и «горячая» плазма, разогретая до миллионов градусов. Именно с ее помощью физики стремятся совершить термоядерный синтез — осуществить управляемую ядерную реакцию превращения водорода в гелий.

Химикам же вполне достаточно плазмы «холодной». Изучить, как протекают химические процессы при температуре в десять тысяч градусов, — что может быть заманчивее?

Скептики полагали: напрасен труд, ибо в столь накаленной атмосфере все до единого вещества ожидает одна участь — разрушение, диссоциация самых сложных молекул на отдельные атомы и ионы.

Истинная картина оказалась куда более сложной. Плазма не только разрушала, но и созидала. В ней охотно шли процессы синтеза новых химических соединений, и среди них таких, которые нельзя получить другими способами. Это были удивительные, не описанные ни в одной из химических книг вещества: Al₂O, Ba₂O₃, SO, SiO, CaCl и прочие. Элементы проявляли в них непривычные, аномальные валентности. Все это было очень интересно, но плазмохимия ставила перед собой практически более важные задачи. Получать известные ценнейшие вещества дешево и быстро.

И вот несколько слов о ее достижениях.

Огромна роль ацетилена для многих процессов органического синтеза, скажем, для получения пластмасс, каучуков, красителей и лекарств. Но готовят ацетилен до сих пор по старинке: разлагают водой карбид кальция. Это и дорого и неудобно.

В плазмотроне дело обстоит по-иному. С помощью водорода создается плазма с температурой в 5000 градусов. Водородная плазменная струя несет свою громадную энергию в специальный реактор, куда подается метан. Метан интенсивно перемешивается с водородом, и в течение одной десятитысячной доли секунды более 75 процентов метана превращается в ацетилен.

Идеально? Бесспорно! Увы, всегда что-то мешает. Стоит оставить ацетилен на лишнее мгновение в высокотемпературной зоне плазмы, как он начнет разрушаться. Следовательно, необходимо стремительно понизить температуру до безопасной. Этого можно достичь различными методами, но здесь-то и заключается главная техническая трудность. Пока лишь 15 процентов образовавшегося ацетилена удается спасти от диссоциации. Но и это уже неплохо!

В лабораториях разработан способ плазмохимического разложения дешевых жидких углеводородов на ацетилен, этилен и пропилен.

На очереди стоит чрезвычайно важная проблема — фиксация атмосферного азота. Ведь химическое получение азотсодержащих соединений, например, аммиака, — дело трудоемкое, сложное и дорогое. Еще несколько десятилетий назад пытались в промышленном масштабе осуществить электросинтез окислов азота, но экономическая эффективность процесса оказалась весьма низкой. Плазмохимия в этом случае куда более перспективна.

Однажды Стивенсон, изобретатель паровоза, прогуливался со своим другом, геологом Бекландом, неподалеку от первой в Англии железной дороги. Вскоре они увидели поезд.

Скажи мне, Бекланд, — спросил Стивенсон, — что приводит в движение этот поезд?

— Рука машиниста, который управляет одним из твоих чудных локомотивов?

— Нет.

— Пар, который движет машину?

— Нет.

— Огонь, который разводят под котлом?

— Еще раз нет; им движет Солнце, светившее в ту отдаленную эпоху, когда жили растения, превратившиеся в уголь, который машинист подбрасывает в топку.

Все живое обязано своим происхождением Солнцу, а особенно растения. Попробуйте вырастить их в темноте: у вас получатся бледные тонкие нити вместо сочных зеленых стеблей. Именно под воздействием солнечного света хлорофилл (красящее вещество зеленого листа) превращает углекислый газ воздуха в сложные молекулы органических веществ, которые и составляют основную массу растения.

Значит, Солнце, вернее, его лучи, — главный «химик», который синтезирует в растениях все органические вещества? Казалось бы, именно так. Недаром процесс усвоения растениями углекислоты назван фотосинтезом.

Ведь известно, что под действием света происходят многие химические реакции. Даже специальная область химии есть, которая их исследует, ее называют фотохимией.

Но пока еще изучение фотохимических реакций не привело к созданию в лабораториях ни белков, ни углеводов. А ведь именно эти соединения являются первичными продуктами фотосинтеза растений.

Для синтеза очень сложных органических молекул растение на начальной стадии использует лишь углекислоту, воду и солнечный свет. Но, может быть, и еще что-то играет роль в этих процессах?

Представьте себе такую фабрику: по трубам в нее подаются сода, нефть, калийная селитра и так далее, а из ворот выезжают машины, груженные булками, колбасой, сахаром. Фантастика, конечно, но нечто подобное происходит в растениях.

Оказалось, что и у растений есть свои катализаторы. Они получили название ферментов. И каждый фермент заставляет реакцию идти только в определенном направлении. Получается, что при фотосинтезе работает не один «химик» — Солнце, но и его коллеги — ферменты (катализаторы). Солнце предоставляет энергию, необходимую для реакции, а ферменты направляют реакцию в нужную сторону.

И хотя мы еще не можем отобрать у природы, в частности у растений, их «патентов» на производство многих веществ, но заставить работать в нужном для нас направлении в ряде случаев уже умеем. В частности, здесь ученым помогло изучение процессов фотосинтеза. Совсем недавно было обнаружено, что при освещении светом различных длин волн растения в процессе фотосинтеза образуют вещества различной химической природы. Так, если их освещать красно-желтыми лучами, основными соединениями, получающимися в результате фотосинтеза, будут углеводы. Если синими — образуются белки.

Это позволяет надеяться, что в недалеком будущем люди смогут получать необходимые им сложные органические соединения с помощью растений в значительных масштабах. Ведь в самом деле, вместо того чтобы строить фабрики и заводы, оснащать их уникальным оборудованием, разрабатывать сложнейшую технологию синтеза, достаточно построить теплицы и регулировать интенсивность и спектральный состав световых лучей. А растения сами создадут все, что необходимо: от простейших углеводов до сложнейших белков.

В существовании атомов не сомневались многие ученые даже самой седой старины. Но как они, эти атомы, связаны друг с другом в веществе? На сей счет философская мысль либо хранила молчание, либо пускалась в плавание по морю фантазии.

Знаменитый французский естествоиспытатель Декарт, например, так представлял себе связь между атомами. У одних атомов существуют выступы наподобие крючков; другие — наделены петельками. Крючочек цепляется за петельку, два атома объединяются.

Пока люди не знали толком, как устроен атом, все их представления о связи атомов, о химической связи оставались беспочвенными. Отыскать истину ученым помог электрон. Однако не сразу. Открыли электрон в 1895 году, а попытки объяснить с его помощью химическую связь сделали лет эдак двадцать спустя. Когда разобрались, как именно электроны распределяются вокруг атомного ядра.

Не все атомные электроны в химической связи участвуют. Только те, что расположены во внешней или на крайний случай во внешней и предшествующей ей оболочках.

Допустим, встречаются два атома — натрия и фтора. У первого снаружи крутится один электрон, у второго — семь. Встречаются и моментально образуют прочнейшую молекулу фтористого натрия. А каким образом? Благодаря перераспределению электронов.

Натриевый атом легко расстается с наружным электроном. При этом он становится положительно заряженным ионом, и у него обнажается предыдущая электронная оболочка. Она содержит восемь электронов, и вырвать их из этого октета очень и очень непросто.

Атом фтора, напротив, с готовностью берет дополнительный электрон на внешнюю свою оболочку; тем самым она тоже становится восьмиэлектронной. И одновременно на сцене появляется отрицательно заряженный ион фтора.

Положительное притягивается к отрицательному. Электрические силы прочно стягивают противоположно заряженные ионы натрия и фтора. Между ними возникает химическая связь. Ее называют ионной. Это один из главных видов химической связи.

А вот второй.

Почему, скажем, существует такое соединение, как молекулы фтора F₂? Ведь атомы фтора не могут сбрасывать электроны с внешней оболочки. Разнородно заряженных ионов здесь не получается.

Химическая связь между атомами фтора осуществляется с помощью пары электронов. Каждый из атомов выделяет по одному электрону в совместное пользование. И получается, что у первого атома на внешней оболочке появляется как бы восемь электронов и у второго тоже. Такую связь именуют ковалентной. Большая часть известных химических соединений получается с помощью химической связи первого или второго типа.

Пока химики не изобрели зеленого листа. Но свет уже применяется на практике для осуществления фотохимических реакций. Кстати, фотографические процессы — это пример деятельности фотохимии. Именно свет оказывается главным фотографом.

Не только световыми лучами ограничивается интерес химиков. Ведь есть еще рентгеновские и радиоактивные излучения. Они несут огромную энергию. Так, рентгеновы лучи в тысячи, а гамма-лучи в миллионы раз «интенсивней» световых.

Разве могли химики оставить их без внимания?

И вот в энциклопедиях и учебниках, специальных книгах и статьях, в популярных брошюрах и очерках появляется новый термин: «радиационная химия». Так называется наука, изучающая действия излучений на химические реакции.

Она молода, но и ей уже есть чем похвастать.

Например, нефтехимики широко применяют процесс крекинга нефти. Сложные органические соединения, содержащиеся в ней, при этом расщепляются на более простые. Образуются, в частности, углеводороды, входящие в состав бензина.

Крекинг — дело капризное. Его ведут при высокой температуре и в присутствии катализаторов. И в течение довольно продолжительного времени.

Это по-старому. А по-новому крекинг не нуждается ни в тепле, ни в химических ускорителях, не требует многих часов работы.

По-новому значит, с применением гамма-излучения. Оно проводит радиационный крекинг. Разрушает сложные органические молекулы. Излучение выступает как разрушитель.

Но не всегда.

Если поток электронов (бета-лучи) направить на легкие газообразные углеводороды — метан, этан или пропан, — происходит усложнение молекул, образуются более тяжелые жидкие углеводороды. Вместо радиационного разрушения — радиационный синтез.

Способность радиоизлучений «сшивать» молекулы используется в процессе полимеризации.

Всем известен полиэтилен. Но не все знают, что его приготовление — дело сложное. Оно не обходится без больших давлений, без специальных катализаторов и особой аппаратуры. А радиационная полимеризация ничего подобного не требует. И стоит радиационный полиэтилен вдвое дешевле.

Это лишь некоторые достижения радиационной химии. Они становятся все более внушительными день ото дня.

Но радиоактивное излучение для человека не только друг. И враг. Враг коварный и беспощадный, вызывающий лучевую болезнь.

Пока нет универсальных рецептов для борьбы с этим тяжелым недугом. Лучше всего не допускать возможности попасть под радиоактивное облучение.

Как? Свинцовые блоки, многометровая толща бетона, толстенные слои металла и камня поглощают потоки радиоактивных лучей. Надежно. Но очень дорого, громоздко и неудобно. Вообразите себе самочувствие человека, одетого в свинцовый скафандр…

Химики, где вы? Неужели не сумеете изыскать средств более простых, но таких, чтобы надежно предохраняли человека от облучения?

Первые опыты (пока только опыты) в этом направлении уже сделаны.

Рентгеновы лучи моментально засвечивают фотопластинки и пленки. Разрушают светочувствительные слои бромсеребряной эмульсии.

А вот что сделали года четыре назад итальянские химики. Они смочили поверхность фотопластинки раствором неорганических соединений — сернокислого титана и селенистой кислоты. И выяснилось, что пластинка потеряла чувствительность не только к видимому свету, но и к рентгеновскому излучению.

В чем дело? Быть может, произошло химическое взаимодействие между этими веществами и бромистым серебром? И образовались новые соединения, устойчивые к облучению?

Отнюдь! Никакого химического взаимодействия не было, и фотопластинка восстанавливала свою былую чувствительность, стоило лишь хорошенько промыть ее водой. Словом, что здесь происходит, еще неясно. Есть только намек на совершенно неожиданную возможность защиты от облучения.

И воображение уже рисует человека, одетого в самый обычный костюм, пропитанный специальным химическим составом. Составом, который останавливает потоки смертоносных излучений.

Сотни и тысячи сложнейших органических соединений создали химики в своих лабораториях за последние годы. Таких сложных, что даже простое изображение их структурных формул на бумаге представляется делом нелегким. Во всяком случае, требует немало времени.

Среди побед, которыми могут похвастаться химики-органики, величайшая — это, бесспорно, синтез молекулы белка. Притом белка первостепенной важности.

Речь идет о химическом синтезе инсулина — гормона, управляющего обменом углеводов в организме.

Даже специалистам-химикам еще неясны некоторые детали строения этой белковой молекулы. Инсулин — это поистине молекула-гигант, хотя число входящих в нее элементов очень ограниченно. Но они располагаются в ней в самых причудливых сочетаниях.

А потому для простоты примем, что молекула инсулина состоит из двух частей, двух цепочек — цепи А и цепи В. И связаны друг с другом эти цепи так называемой дисульфидной связью. Иначе говоря, между ними как бы перекинут мостик, состоящий из двух атомов серы.

План генерального наступления на инсулин был следующим. Отдельно синтезировать цепи А и В. Затем соединить их, да так, чтобы между ними обязательно протянулся дисульфидный мостик.

Теперь немного арифметики. Чтобы получить цепь А, химикам понадобилось провести около сотни различных последовательных реакций. Построение цепи В потребовало больше ста. И ушло на это много месяцев кропотливейшего, труда.

Но вот обе цепи, наконец, получены. Надо их связать. Именно здесь и встретились основные трудности. Не раз постигали исследователей жестокие разочарования. И все же в один прекрасный вечер в лабораторном дневнике появилась лаконичная запись: «Молекула инсулина полностью синтезирована».

Двести двадцать три последовательных этапа потребовалось ученым, чтобы искусственно получить инсулин. Вдумайтесь только в эту цифру: до сих пор еще ни одно из известных химических соединений не было приготовлено с таким трудом. Десять человек не покладая рук работали около трех лет…

Биохимики же сообщают весьма любопытную вещь: в живой клетке белок синтезируется всего за… 2–3 секунды.

Три года — и три секунды! Насколько все-таки синтетический аппарат живой клетки совершеннее современной химии!