Наука, о которой будет рассказано в этой главе, — сегодня уже полностью сформировавшийся раздел химии; у нее существуют прочные и основательные традиции, свои оригинальные методы и терминология, своя достаточно богатая и в общем не простая история.
Но еще во втором издании Большой советской энциклопедии об этой науке ничего не написано. Тогда — четверть века назад — она попросту еще не существовала.
* * *
В любой химической библиотеке института на видном месте стоит известный каждому химику справочник Бейльштейна. Справочник этот во всех отношениях примечателен. В карман он не поместится. В портфель тоже не влезет. Его не унести и в чемодане.
Справочник Бейльштейна насчитывает более сотни томов. Причем самый тощий из этих томов тянет не меньше чем килограмма на два. А самый объемистый том — не то что пожилой библиотекарше не снять с полки, а и молодой, спортивного вида инженер волочит его к письменному столу, заметно покраснев от натуги.
Удивляться необычному объему справочника не приходится, ведь в нем собраны сведения о большинстве известных науке органических соединений.
Не знаю, сколько соединений описано в справочнике Бейльштейна. Кто говорит — миллион, а кто утверждает, что все три. Среди моих знакомых не нашлось ни одного, кто отважился бы пересчитать все соединения, сведенные в справочнике. Да и что толку пересчитывать — за темпами науки все равно не угнаться. Считается, что каждый год химики синтезируют полмиллиона новых органических соединений — две тысячи за рабочий день, около сотни в час. За время, какое вы потратили на чтение этого абзаца, где-то кто-то синтезировал неизвестное прежде органическое соединение.
Я вспомнил о справочнике Бейльштейна вовсе не потому, что нам придется сейчас с его помощью выуживать сведения о каком-то экзотическом органическом соединении. Воспользуемся тем, что в нем описаны, хотя и очень кратко, методы получения каждого из соединений. И попробуем установить, сколько же способов заставлять вещества вступать в реакцию известно современной химии. Ну, если и не все способы (веществ-то миллионы!), то хотя бы основные из них. И попробуем их как-то систематизировать (классифицировать).
Работа, разумеется, не из легких. Но тут снова, не в первый раз, придется напомнить, что эта книга относится к научно (научно!) — художественному жанру. А наука — это всегда труд.
Приготовим толстую тетрадь, отточим поострее карандаши, проверим стержни в авторучках и — за работу!
Снимем с полки первый том справочника. Открываем первую страницу: «Смешиваем, нагреваем…» Так, стало быть, способ первый: нагревание.
Следующее соединение… Так, формула, физические константы, способ синтеза: «Сливаем и кипятим…» Но ведь это снова нагревание.
Переворачиваем страницу: «Смесь предварительно растирают в ступке, а затем продолжительно прокаливают в муфельной печи…» И здесь нагревание!
Десятая страница: «…взбалтывают и затем нагревают…»
Сотая: «…смесь помещают в пламя газовой горелки…»
Пятисотая: «…выдерживают при температуре 350–400 градусов…»
Тысячная: «…нагревают…»
Весь первый том просмотрен, а в нашей толстой тетради заполнена лишь первая строка первой страницы, и значится там одно слово: «нагревание».
Скажу сразу: вы можете перелистать остальные 99 томов и не обнаружите ничего, вернее, почти ничего, кроме нагревания как универсального способа возбуждения химической реакции. Слово «почти» применено здесь потому, что изредка, примерно один раз на 200, вы встретите указания на проведение процесса с помощью электрического тока (электролиз). Повстречаются еще указания на применение высокого давления, но только неизменно в сочетании с нагреванием.
Как видим, все необозримое многообразие соединений, известных современной химии, получено, по сути, с помощью всего двух способов внешнего воздействия на смесь реагирующих веществ. Да, арсенал средств, находящихся в распоряжении химиков, в этом плане ничуть не богаче того, каким располагали алхимики. Те ведь твердо знали, что нагревание — отличный и почти всегда срабатывающий способ заставить вещества реагировать друг с другом.
Давайте выясним: почему нагревание — такой излюбленный прием химиков, почему этот несложный процесс одинаково безотказно вызывает реакцию между самыми разнообразными веществами? Причина довольно проста. При нагревании увеличивается скорость движения молекул. А раз увеличивается скорость, то увеличивается вероятность их столкновения и, главное, энергия, с которой они сталкиваются. Вот почему вещества, не желающие реагировать при обычной температуре, с повышением ее начинают вступать в реакцию.
Электрический ток существенно усилил арсенал химиков. Не буду пояснять подробно, почему электрический ток так пришелся по душе химикам. Напомню только, что химическая реакция — это передача электронов от одного вещества другому. А электрический ток не что иное, как поток электронов. Вот почему, пропуская ток через раствор какого-либо вещества, можно вызвать его превращения[11]Понятно, что для этого нужно, чтобы раствор проводил электрический ток, а это возможно лишь в том случае, если растворенные в воде либо другом растворителе вещества были электролитами, имыми словами, распадались на ионы. Это условие значительно сужает круг веществ, которые могут быть синтезированы путем электролиза. Именно поэтому электролиз как способ осуществления химической реакции по распространенности никак не может конкурировать с обычным нагреванием.
.
— Ну что же, — беспечно заметит читатель, — если с помощью нагревания и электрического тока удалось получить столько соединений, то следует ли сетовать на то, что способов вызывать реакцию так мало. А быть может, больше и не нужно!
Нужно, и даже очень! В учебнике химии написано: «Реакция невозможна, если реагирующие вещества не сосуществуют в одном, пусть узком, температурном интервале». Понятно? Думаю, что не очень. Попробую растолковать яснее. Впрочем, самым лучшим объяснением, по-видимому, будет пример из практики. За примерами далеко ходить не приходится. Вот хотя бы сегодня подошла ко мне лаборантка и озабоченно сказала:
— Юрий Яковлевич, не окисляется.
— Не может быть! — удивился я. — Должно окисляться.
В самом деле, мы должны были окислить одно органическое соединение. Окислителем была выбрана концентрированная азотная кислота — вещество, которое очень охотно отдает свой кислород. Почему же реакция не идет?
Даю совет, какой на моем месте, так же не задумываясь, дал бы любой химик:
— Нагрейте.
Через 15 минут лаборантка явилась снова:
— Опять ничего не выходит.
— Сильнее нагрейте!
Еще через 15 минут:
— А вот теперь уже наверняка ничего не выйдет!
— ???
— Вся азотная кислота улетучилась.
М-да… Положение действительно неважное. Азотная кислота кипит при 86 градусах. Эта температура недостаточна для того, чтобы заставить прореагировать наши вещества. Понятно теперь, что такое «сосуществование в одном температурном интервале»? Не всегда выходит в химии это «сосуществование». А раз так, то не выходит и реакция.
Тот случай, о котором я рассказал, довольно легкий. Мы справились с нашей реакцией, запаяв смесь веществ в стеклянную ампулу. Теперь смесь можно было нагревать до значительно более высокой температуры.
Но бывают случаи куда сложнее и ответственнее. Например, крекинг нефти.
Нефть — это смесь разнообразных углеводородов (соединений углерода и водорода). Углеводороды, входящие в состав нефти, содержат самое разнообразное число атомов углерода. Но хорошим горючим для двигателей внутреннего сгорания служат лишь те из углеводородов, цепочка атомов которых сравнительно коротка, 8–10 звеньев, 8–10 атомов углерода, соединенных друг с другом.
Назначение крекинга — превратить длинные углеводородные молекулы в более короткие. С этой целью нефть нагревают до высокой температуры, одновременно сжимая до нескольких сот атмосфер. Длинные углеродные цепочки при этом рвутся, а образовавшимися «осколками» можно заливать бак «Жигулей».
Все было бы хорошо, если бы значительная часть нефти при нагревании не осмолялась, превращаясь в густую темную массу, непригодную, конечно, к использованию ее в качестве горючего. Но что поделаешь?! Все претензии адресуйте природе. Это она наделила углеводороды такими в данном случае ненадежными свойствами. Впрочем, можно сколько угодно нарекать природе, однако от этого потери нефти при крекинге не станут меньше.
Нетрудно подобрать еще сотню-другую примеров, когда химики — в лаборатории ли, на заводе ли — прибегают к нагреванию скрепя сердце. Нагревание калечит исходные вещества, ухудшает свойства продукта реакции, приводит к образованию побочных и вредных для данного процесса соединений, но делать нечего. Нечего, и все!
Есть еще одна причина, по которой химики не очень жалуют процесс нагревания. Причина эта настолько серьезна, что оборачивается важнейшей проблемой химической промышленности.
Каждый сколько-нибудь солидный химический завод опутан густой сетью железнодорожных путей. Круглосуточно в ворота завода вкатывают десятки длинных составов грузовых вагонов. Но вот что примечательно: на каждый вагон сырья для производства приходится не меньше вагона каменного угля. Вагоны с сырьем по внутренней железнодорожной ветке направляются по цехам, а уголь сгрузят около центральной котельной завода.
Любое химическое производство — это прежде всего расход тепла. Тепло необходимо для того, чтобы очистить вещества, вступающие в химическую реакцию. Тепло необходимо и для того, чтобы началась сама реакция. Тепло необходимо для выделения продукта реакции, для его очистки и еще для других процессов, из которых слагается современное химическое производство.
Вот и получается, что большая часть каменного угля, нефти и газа, добываемого в стране, идет на потребу химикам — не в качестве сырья, нет, к сожалению, — а как горючее. Досадно. Очень досадно.
* * *
В истории науки можно найти немало примеров, когда физика и химия приходили друг другу на помощь. Но то, о чем сейчас пойдет речь, — пожалуй, самый яркий из примеров их сотрудничества за всю историю дружбы этих наук.
* * *
Открывая Всесоюзное совещание по радиационной химии, которое было созвано в начале 60-х годов, виднейший советский ученый академик А. П. Виноградов сказал:
— Современная эксплуатация ядерных реакторов является варварским способом использования энергии атома. И облагородить этот способ дано лишь нам, химикам. Вот почему энергетика будущего в наших с вами руках, товарищи…
Хотя с того времени прошло немало лет, я очень хорошо помню, какой вихрь недоуменных вопросов пронесся у меня в голове:
«Ядерные реакторы — варварский способ?! Одному из самых крупных достижений современной науки академик присвоил такой малопочтенный эпитет?! И потом, почему это мы, химики, должны отвечать за энергетику будущего? До сих пор я полагал, что это дело специалистов в области электричества, турбиностроителей, физиков, наконец, но никак не химиков. Непонятно, совсем непонятно…»
Если меня сегодня что-нибудь и удивляет, так это лишь то, как я мог не понять тогда академика А. П. Виноградова. Сегодня высказывания этого ученого, удивившего тогда, кстати, не меня одного, стало рядовым, но тем не менее важнейшим лозунгом всех химиков, а связанных с радиоактивностью — в особенности.
В наши дни атомная энергетика — это уже будни науки. Мы гордимся тем, что в нашей стране создана первая в мире электростанция, работающая на атомной энергии. Мы любуемся красавцами ледоколами «Ленин» и «Арктика». Но не удивляемся этим достижениям. Они стали буднями, и это очень радостные будни.
Впрочем, если вы решите поговорить об энергетическом использовании ядерных реакторов с каким-либо специалистом-физиком, то увидите, как при первом же вопросе на лице вашего собеседника промелькнет сложная гамма чувств, среди которых основными будут гордость и… горечь. Гордость — за выдающиеся достижения современной физики, достижения, которые сделали эту науку лидером естествознания XX века, а горечь…
Горечь появляется тогда, когда физики подсчитывают, какая доля энергии урана, распавшегося в ядерном реакторе, используется энергетиками. Окончательный результат обычно приводит их в глубокое уныние. Да и то сказать: кого не огорчит коэффициент полезного действия, равный 0,2–0,3? Оказывается, энергетики используют примерно одну треть энергии, которая высвобождается при распаде ядер урана в реакторе.
Из всей энергии, выделяющейся в ядерном реакторе при делении ядер урана, используется лишь та ее часть, которая превращается в тепло при разлете ядерных осколков и при радиоактивном распаде этих осколков. Неудивительно, что эта часть энергии составляет лишь долю, причем достаточно скромную, от величины всей высвобождающейся энергии. Остальная энергия аккумулируется в образовавшихся продуктах деления урана — а это не что иное, как разнообразные химические элементы. Уточним, радиоактивные элементы.
Причина радиоактивности? Именно в этих осколках сосредоточена основная доля энергии, высвобождающейся при делении ядер урана. Стремясь освободиться от избыточной энергии, ядра образовавшихся элементов выбрасывают электроны либо гамма-кванты, то есть подвергаются радиоактивному распаду.
Для химиков особенно важно то, что в отходах ядерных реакторов, в урановой «золе», содержатся искусственные радиоактивные изотопы большей части элементов системы Менделеева. Вот почему, если еще лет сорок назад искусственные радиоактивные изотопы были доступны единичным лабораториям, то сегодня каждому студенту-химику при выполнении им практических работ предлагают разнообразный набор различных радиоактивных элементов.
Теперь становится понятным, что так печалило физиков. Для кручины у них имелись достаточно веские основания: они попросту не знали, что делать с таким количеством радиоактивных элементов, какие накапливаются в ядерных реакторах. А радиоактивность эта действительно громадна. Достаточно даже не очень большому реактору проработать сутки, и там накопится такое количество продуктов распада урана, какое по своей радиоактивности в десятки раз превышает радиоактивность элементов, выделенных во всех лабораториях и заводах со времени открытия радиоактивности до того времени, когда был сконструирован первый реактор (1942).
Число ядерных реакторов на земном шаре непрерывно увеличивается. И уже почти 30 лет со страниц газет не сходит выражение «радиоактивные отходы». Сотни ученых в десятках стран ломали голову над тем, что же делать с радиоактивными отходами, которые непрерывно и во все возрастающем количестве вырабатывают ядерные реакторы.
Чего только не предлагали!
Закапывать в глубокие бетонные ямы. И закапывали.
Прятать в заброшенных шахтах. И прятали.
Топить в глубоких океанских впадинах. И топили.
Запускать в ракетах в межпланетное пространство. И… Нет, пока еще не запускали. И по-видимому, не столько потому, что такой способ избавления от ядерной «золы» чрезмерно дорог, сколько из-за опасений, что при запуске ракеты может случиться какая-нибудь неприятность и опасный шлак развеется в атмосфере.
Конечно, джинна, выпущенного из бутылки, можно было бы в данном случае загнать обратно: остановить ядерные реакторы и тогда не будет никаких отходов. Но этот выход, разумеется, никого не устраивает.
* * *
Плохо физикам — в ядерных реакторах пропадает зря много энергии. Печалятся и химики — арсенал имеющихся в их распоряжении средств для проведения реакций скуден и, главное, не всегда удовлетворителен. Но когда плохо ученым, и особенно если эти ученые физики и химики, вывод, как правило, находится. Вот и здесь…
* * *
Если вам вздумается проводить реакцию водорода с хлором, то прежде всего подумайте, так ли уж вам это необходимо. Если, поразмыслив, вы все же утвердитесь в намерении соединять водород с хлором, то постарайтесь, чтобы резервуар, в котором будет идти реакция, не был стеклянным (металлическим, пластмассовым — пожалуйста). Если же по условиям опыта требуется, чтобы реакция протекала в стеклянном сосуде, то прежде тщательно покройте его темной краской либо заверните в плотную темную ткань. Если же почему-либо этого сделать нельзя, то предупредите, чтобы никто не подходил к месту эксперимента ближе, чем на … метров. Число, какое следует поставить на место многоточия, зависит от объема сосуда. Если сосуд небольшой — литров на 5–6, то стеклянные осколки от взрыва, который последует немедленно после того, как водород и хлор будут смешаны, разлетятся недалеко — метров на 10–12. Чем больше сосуд, тем на большем расстоянии будут сохранять стеклянные осколки убойную силу.
Итак, вы, конечно, поняли, что реакцию водорода с хлором можно проводить, лишь соблюдая многие предосторожности. Но самое главное, чтобы на реакционную смесь ненароком не попал луч света. В темноте же — спокойно смешивайте эти газы — реакция не пойдет.
Взаимодействие водорода с хлором — далеко не единственный пример реакций, протекающих под действием света. Каждый химик без труда вспомнит много таких реакций: разложение соединений серебра с галогенами (процесс, лежащий в основе фотографии), хлорирование многих органических соединений, наконец, важнейший из химических процессов, протекающих в природе, — процесс фотосинтеза, свершающееся в глубинах растительных клеток превращение углекислоты и воды в углеводы, процесс, на котором основано существование всего живого на нашей планете.
Ничего загадочного в действии света на эти реакции нет. Вот хотя бы та же реакция взаимодействия водорода с хлором.
Оба этих газа двухатомны — молекулы их содержат по два атома: H2 и Cl2. Именно поэтому взаимодействовать друг с другом они не собираются: водород прочно соединен с другим атомом водорода, и в молекуле хлора оба атома вполне довольны друг дружкой.
Но вот в смесь этих газов попал квант света. Натолкнувшись на молекулу хлора, он разбивает ее на части — два отдельных атома Cl, каждый из которых, не имея партнера, обладает большим стремлением к взаимодействию. Поэтому такие одиночные атомы хлора буквально «вгрызаются» в молекулы водорода: Cl + H2 = HCl + H. Теперь уже бесприютным остался атом водорода, стремящийся приобрести себе партнера еще сильнее, чем одиночный атом хлора. Водород-одиночка находит приятеля в первой же молекуле хлора, которая столкнется с ним: H + Cl2 = HCl + Cl. И снова остался без пары атом хлора, который реагирует с молекулой водорода. И так далее. И так далее. И так далее… 150 тысяч раз. Потому что один квант света, попавший в смесь водорода и хлора, может привести к образованию 150 000 молекул хлористого водорода.
Понятно теперь, почему не стоит выставлять без соблюдения всех правил предосторожности на свет смесь H2 и Cl2?
Как ни многообразны реакции, протекающие под действием света, число их не сопоставимо с количеством известных нам химических соединений. Это понятно, так как энергия, которую несет на себе квант видимого света, сравнительно невелика. Этот квант может воздействовать на молекулу лишь с довольно слабой химической связью. Кванты видимого света можно сравнить с теннисными мячиками, ударяющимися о каменную стенку. Повредить штукатурку они еще могут, да и то, если она плохо заделана. Но большого вреда, конечно же, не нанесут.
Другое дело, если по стене стрелять из винтовки или даже артиллерийского орудия. Так вот, если кванты видимого света — мячики, то кванты рентгеновского или радиоактивного излучения — пули и артиллерийские снаряды.
Сравнение радиоактивного излучения с пулями и снарядами, надо сказать, весьма емкое. Альфа-частицы или гамма-кванты, попадая в молекулу химического соединения, причиняют ей тяжелейшие разрушения. Молекула попросту разлетается на осколки, которые сами по себе уже являются новыми соединениями. Кроме того, осколки охотно вступают во взаимодействие друг с другом, что еще больше расширяет круг образующихся при этом соединений.
Вот и появился третий — после нагревания и электрического тока — метод воздействия на реакционную смесь. Метод, не обладающий недостатками, присущими первым двум, но сочетающий в себе все их достоинства и плюс еще много примечательных черт, свойственных только ему.
Сейчас трудно установить, кого первым осенила идея применить радиоактивные лучи для того, чтобы возбудить химическую реакцию. А может быть, эта идея посетила одновременно нескольких ученых? Скорее всего, дело обстояло именно так. Потому что даже открытие радиоактивности произошло благодаря химическому действию радиоактивного излучения на оказавшуюся случайно неподалеку фотографическую пластинку: попадая на фотоэмульсию, радиоактивные лучи разрушают молекулы галогенидов серебра. Так что догадываться о химическом действии излучения могли многие исследователи радиоактивности.
Итак, родился новый раздел химии — радиационная химия. Велико искушение назвать радиационную химию наукой будущего. Но это заманчивое определение здесь не подходит. Радиационная химия — наука настоящего. И если говорят о блистательном будущем этой науки, то только потому, что ожидают ее действительно великие свершения.
Ну а физики, довольны ли они? Сверх всякой меры! Отныне радиоактивная «зола» реакторов становится ценнее золота, ценнее любого благородного металла. Что — золото? Оно безжизненно. А с помощью «золы» можно вызвать сотни, тысячи самых неожиданных превращений. А главное, теперь никто не сможет упрекать физиков в том, что они не полностью используют энергию атомного ядра, высвобождающуюся в реакторе.
* * *
Нечего и думать о том, чтобы даже просто перечислить все осуществленные до настоящего времени радиационно-химические превращения. Их тысячи, а быть может, и десятки тысяч. Придется назвать лишь самые важные. Посудите, легко ли это сделать? Ведь каждый из ученых, исследующих какой-либо процесс, считает, что его реакция наверняка самая важная!
* * *
Если происходит годичное собрание британской ассоциации ученых и если с речью на этом собрании выступает сам Вильям Крукс, то достойно ли оно, чтобы все газеты послали туда своих корреспондентов? Вопрос, разумеется, риторический. Корреспонденты на собрании присутствовали, и в большом количестве. К тому же ретивые работники печати были приятно удивлены: наконец-то господа ученые — впервые за столько лет! — сумели изречь нечто понятное читающей публике.
Впрочем, сэр Крукс наговорил такого, что многие из редакторов, читая принесенные репортерами отчеты о собрании ассоциации, недоверчиво покачивали головами.
Надобно заметить, что у редакторов имелись все основания удивляться. Еще бы! Сэр Вильям Крукс предсказал, что лет через тридцать, этак к году 1930, на планете начнется массовый голод. Рассуждения ученого были педантичны, точны и… пугающе конкретны.
— Единственным методом повышения урожайности — говорил Крукс, — является внесение удобрений, главным образом — соединений азота. Только азот способен гнать растения в рост, только азот дает растению жизненные силы, только азот спасет от голода. Но вот ирония судьбы: мы живем на дне колоссального океана азота — наша атмосфера на четыре пятых состоит из этого газа, а для удобрения почвы вынуждены пользоваться чилийской селитрой, которую ввозим из-за океана и которая поэтому обходится нам втридорога. Но если бы только дороговизна селитры была причиной ее дефицитности! Мы построили бы тогда гигантские пароходы, мы бы перевозили селитру на громадных воздушных шарах. Ибо ничто не может считаться чрезмерным, когда речь идет о спасении человечества от голода.
А голод надвигается, он неминуем, господа! Чилийская селитра на исходе. По самым оптимистическим подсчетам, ее едва хватит на три десятка лет. И я не знаю, что будет на Земле к тысяча девятьсот тридцатому году. Не знаю!..
Ученый говорил правду. У него были веские основания для беспокойства. Чилийская селитра таяла не по годам, а по дням. И маститый физик действительно не знал, что будет дальше. Не знал он и того, что пройдет всего 10 лет, и будет найден способ связывания атмосферного азота в аммиак — простейшее соединение азота и водорода.
Сегодня, в 1984 году, мы знаем, что мрачные предсказания Крукса, к счастью, не подтвердились. Этим «к счастью» мы обязаны химикам, которые сумели заставить ленивый азот вступать в различные реакции. На первое место здесь должна быть поставлена реакция азота с водородом, при которой образуется аммиак.
Впрочем, некоторые из этих реакций были известны химикам давно. Так, они знали, что азот соединяется с кислородом при пропускании через смесь этих газов электрической искры. Об этом мы писали еще в первой главе, когда вспоминали опыты Кэвендиша. Но количество электроэнергии, затрачиваемой на производство соединений азота этим способом, так огромно, а стоимость удобрений, получаемых при этом, так баснословно велика, что Круксу даже не приходила мысль, что когда-либо можно будет использовать электричество для производства азотных удобрений. Да и сейчас, когда по сравнению с прошлым веком стоимость электроэнергии во всех странах резко понизилась, химики тоже не могут позволить себе роскошь добывать азотные удобрения с помощью электрического разряда.
Но и другие способы связывания атмосферного азота ненамного дешевле метода электрической искры. Вот хотя бы получение аммиака из азота и водорода.
Прежде всего добывают чистый азот. Для этого в сложных и энергоемких установках превращают воздух в чрезвычайно холодную и дымящую жидкость. Затем жидкий воздух запускают в специальные аппараты, где эту своеобразную смесь разделяют на компоненты — азот и кислород. Сооружение этих аппаратов и их эксплуатация отнюдь не удешевляют процесс производства соединений азота.
Затем надо получить водород. Для этого чаще всего прибегают к электролизу воды. Тут необходимо затратить очень много электроэнергии: ведь при разложении каждых 18 граммов воды образуется всего 2 грамма водорода.
Как видим, уже затрачено много труда и электроэнергии, но еще продукта нет, а получены только исходные вещества для его синтеза.
Смесь азота и водорода запускают в аппараты, где поддерживаются температура около 600 градусов и давление около 1000 атмосфер. В этих условиях, да еще с применением специального катализатора образуется первое из промышленных соединений азота — аммиак.
Окисляя аммиак с помощью специальных катализаторов, можно получить окислы азота, а уж из последних второе из важнейших соединений азота — азотную кислоту.
Соединения азота необходимы современной промышленности — не только сельскому хозяйству. Не случайно почти в каждом учебнике химической технологии приводится фраза о том, что уровень цивилизации общества определяется количеством потребляемых соединений азота.
Без азотной кислоты не работает ни одно химическое предприятие. Без аммиака нельзя было бы производить сотни различных веществ и материалов. А потом… Нет, в самом деле, очень обидно — жить на дне азотного океана и испытывать такую нужду в соединениях этого, в сущности, очень распространенного элемента. Вот уж поистине — видит око…
После того шквала технических и химических терминов, какой я обрушил на читателя, нетрудно представить совсем простую установку. Труба, обычная труба. В одно отверстие трубы засасывается воздух. Из другого отверстия выходят… окислы азота. Внутри трубы ничего нет. Абсолютно гладкие стенки.
Вы спрашиваете, из какого материала сделана труба? Из нержавеющей стали. Но если бы труба была сработана из стекла, платины, золота или из хрома, право, ничего не изменилось бы. Она так же исправно превращала бы воздух в окислы азота. Ну, а окислы азота, будучи поглощены щелочью, и есть превосходное азотное удобрение. Поэтому следует отнестись к этой трубе с уважением: она заслуживает того, чтобы назвать ее заводом для производства азотных удобрений.
Затрата энергии? Только на засасывание воздуха. Транспортные расходы? Только на подвозку щелочи, которая поглощает окислы, да на доставку готового продукта на поля. Обслуживающий персонал? Один человек, которому очень скучно, потому что забот у него нет никаких: мотор, засасывающий воздух, работает исправно, а все остальное происходит само по себе. Нет, этот дяденька, обслуживающий трубу, — вовсе не старик Хоттабыч и даже не дипломант Академии хиромантии и оккультных наук. Это скромный техник, окончивший трехмесячные курсы по производству удобрений.
Где такая труба существует? Где готовят техников, добывающих удобрения из воздуха? Существует эта труба вместе с ее хозяином в моей фантазии. Но выдумал я ее не от желания пофантазировать. Это просто наглядная схема, только выраженная не в рисунке, а, быть может, в несколько пространном словесном изложении. Но мне важно было, чтобы все это читатель понял как можно лучше.
Впрочем, о самом главном я не упомянул. А самое главное — это находящаяся в трубе небольшая ампула, которая и наделяет ее поразительной способностью заставлять азот и кислород реагировать друг с другом. В ампуле радиоактивный изотоп кобальта с атомной массой 60. Он испускает гамма-лучи, которые и творят это химическое чудо.
Сталкиваясь с молекулами азота, гамма-лучи ионизируют их, разбивают на отдельные атомы. Дальнейшая картина уже знакома. Насколько ленивы и инертны атомы азота, связанные в молекулу, настолько энергичны и активны атомы этого элемента, существующие порознь. Вот почему они немедленно реагируют с молекулами кислорода, всегда находящегося поблизости: ведь воздух — это смесь азота и кислорода.
Вот и весь процесс связывания атмосферного азота. Я, конечно, выразился не совсем точно, утверждая, что этот процесс не требует затраты энергии. Но расходуется лишь «даровая» энергия — энергия радиоактивного распада: радиоактивный кобальт отдает ту избыточную энергию, которую накопил в ядерном реакторе.
От приведенной только что общей схемы до ее промышленного воплощения еще многие «километры» пока нерешенных проблем. Возможно, будущая установка для радиационно-химического превращения азота в окислы азота не будет походить на нашу схему-трубу. И скорее всего она будет более сложной. Но все-таки с гордостью можно отметить, что сегодня экономисты уже не занимаются тревожными подсчетами, вычисляя, на сколько лет хватит чилийской селитры. Нынче экономисты заняты более веселым делом: они подсчитывают расходы и доходы, связанные с внедрением радиационно-химического синтеза соединений азота. А там, где в дело входят экономисты — там дело будет: эти люди менее всего склонны к фантазиям.
* * *
Есть такая поговорка: «Против природы-матушки не пойдешь!» Не любят эту унылую поговорку химики, ох как не любят! Но если при данных условиях данная реакция не протекает, то что тогда делать? И впрямь «не пойдешь»!
«Не пойдешь»?
* * *
В ракету загрузили тонну горючего, что позволило ей развить скорость 4 километра в секунду. Спрашивается, сколько горючего необходимо загрузить в ракету, чтобы сообщить ей первую космическую скорость — 8 километров в секунду?
Кто-то уже с ответом поспешил: 2 тонны! Не торопитесь, я задам еще одну задачу.
В лесу живет стая из 10 волков. Каждый волк за день съедает одного зайца. Если в этом лесу имеется 300 зайцев, то сколько лет местному леснику?
В общем-то, задачи одного типа — «сумасшедшие». Скорость ракеты ничуть не зависит от количества горючего. Зависит она от скорости сгорания горючего. Две тонны горючего не станут гореть быстрее, чем одна тонна, а быть может, даже медленнее. Ну, а что касается зайцев, то тут, видимо, пояснять не приходится.
Есть такое выражение: «Горит быстро, как порох». «Быстро, как порох»? Поговорка безнадежно устарела! Конечно, по прежним понятиям о скорости это было очень быстро. Но теперь, когда космические полеты стали, хотя и неизменно волнующим, но привычным событием, теперь такая скорость не может считаться чем-то необычным.
Оказывается, многие авиаконструкторы очень не жалуют химиков. Конечно, свои нелестные мнения они не обнародуют, разве что в тесном кругу, но про себя они высказываются достаточно откровенно. Причина? Очень ясная, чем-то оправдывающая конструкторов. Скорость сгорания горючего в камерах авиамоторов является одной из причин теоретического, а теперь уже и практического предела возможной скорости самолетов.
В самом деле, если горючее не может сгорать быстрее того, чем ему определено природой, то в конце концов может наступить предел, когда скорость реакции горения не поспеет за скоростью самолета.
А как же ее, эту скорость, увеличишь? Ведь не химик же создал именно такое расположение атомов в молекуле горючего. Не он придумал, чтобы разрыв молекулы горючего при столкновении с молекулами кислорода протекал именно с такой скоростью, и никак не большей. И потом — «против природы-матушки не пойдешь!»
Рассказывай я об этом отнюдь не мимолетном конфликте между авиаторами и химиками пару десятков лет назад, то этим унылым возгласом и пришлось бы ограничиться. Но сейчас уже виден путь, следуя которым можно авиахимический конфликт сделать достоянием истории.
Представим себе камеру двигателя внутреннего сгорания. Камера как камера. Только изнутри покрыта тонким, очень тонким слоем радиоактивного элемента. Казалось бы, пустяк. Но горючее в такой камере сгорает гораздо быстрее. А соответственно и увеличивается тяга двигателя.
Радиоактивное излучение расщепляет как молекулы кислорода, так и молекулы горючего. А атомарный кислород, понятно, вступает в реакцию быстрее, чем его молекулярный собрат. Осколки молекул горючего также не сравнить с «целыми» молекулами по скорости их окисления кислородом.
А раз быстрее происходит реакция сгорания — быстрее выбрасываются газы из камер, быстрее движется самолет.
Но увеличение скорости — не единственная заслуга радиоактивности в этой проблеме, и даже не самая важная заслуга. Что же может быть важнее скорости движения?
Важнее может быть тот «хвост», который тянется из выхлопной трубы несущегося по улице автомобиля. Стоит мотору немного «забарахлить» — сразу сзади автомашины появляется свидетельство неисправности: сизые клубы дурно пахнущего дыма. Да и исправная автомашина выбрасывает из выхлопной трубы отнюдь не только безобидный углекислый газ.
В камере двигателя внутреннего сгорания, даже самого совершенного, горючее не успевает сгорать целиком. Какая-то часть паров бензина выбрасывается в воздух вместе с продуктами сгорания. Чем двигатель лучше, тем меньше бензина пропадает впустую. Но потери все же неизбежны: попросту бензин не успевает сгорать за то малое время, какое необходимо на один такт поршня.
Не знаю, подсчитывал ли кто-нибудь, сколько горючего пропадает впустую из-за этого неприятного обстоятельства. Конечно, миллионы тонн в год, а быть может, и больше. Потому что количество автомашин на земном шаре теперь не счесть даже самому ретивому статистику. Обидно? Еще бы!
А загрязненный воздух в больших городах? Сколько об этом писано! А что делать? Запретить автобусам и автомобилям ездить по городским улицам?
Ну, как тут не помечтать об автомашинах с радиоактивными камерами внутреннего сгорания? Ведь в таких камерах горючее будет сгорать до самой последней молекулы. Городской воздух очистится, а скорость автомашин… Впрочем, скорость автомобилей в городе повышать, пожалуй, и не следует.
Воплотиться мечте в конкретное техническое решение мешает пока очень многое, не говоря уже о том, что неясно, как защитить шофера и пассажиров от действия радиации. Да и о пешеходах не мешало бы подумать.
Можно было бы окружить машину защитным слоем, но это сделало бы ее очень громоздкой. Можно было бы предложить автоконструкторам идею автомобиля, мотор которого был бы отделен от кабины и находился бы на отдельной тележке. Но нетрудно представить, что идея эта не вызовет энтузиазма конструкторов.
Впрочем, дело обстоит далеко не безнадежно. Сейчас химики усиленно исследуют радиационно-химические превращения, возникающие при прохождении через вещество бета-лучей. Между химическим действием гамма- и бета-лучей имеется очень много общего. Однако проникающая способность бета-излучения во много раз меньше, чем гамма-лучей.
Вот почему если камеры двигателей изнутри покрыть слоем какого-либо бета-активного изотопа, то лучи, пронизывая горючее и совершая там свое «разрушительное» дело, не смогли бы, однако, вырваться за пределы цилиндра, поскольку преграда из слоя металла для них непреодолима.
Будем надеяться, что не за горами время, когда по улицам городов, по шоссе пойдут автомобили, у которых на радиаторе вместо традиционного оленя будет красоваться символ атома — ядро, окруженное орбитами электронов.
* * *
Коль скоро затронута проблема рационального использования горючего, то, безусловно, нужно рассказать и о радиационно-химическом крекинге. За этим сухим термином кроется бездна химико-технологической романтики. Именно химико-технологической. И именно романтики.
* * *
В каждом более или менее солидном научном учреждении, какое с целью ознакомления либо с намерением поднабраться опыта посещают различные делегации, обязательно имеется хотя бы один научный сотрудник, которому эта в общем-то нудная обязанность водить группы, рассказывая всякий раз одно и то же, особенно по душе. Подозреваю, что каждый из них — по каким-то причинам несостоявшийся актер, и не удивлюсь, если узнаю, что такой гид перед тем как подать документы в химико-технологический институт, провалился на экзаменах в школу-студию МХАТа.
Вот и здесь, в институте, занимающемся проблемами радиационной химии, нас водит по лабораториям приятный молодой человек с манерами индусского факира достаточно высокой квалификации. Начинает он с того, что, подойдя к висящей на столе доске, изображает нечто непонятное:
Довольный произведенным эффектом, гид тут же дает пояснения:
— Сплошная черта — это изображенная схематически молекула углеводорода, скажем, гексана С6Н14, того самого, который вы видите в этой колбочке. Символ
означает облучение, в данном случае гамма-лучами. Ну, а маленькие черточки — это осколки молекулы, образовавшиеся в результате облучения. Вся соль процесса — обратите внимание! — в том, что черточки эти имеют самую различную длину.
На этом пояснение было прервано, и нас повели в соседнее помещение, в одной из стенок которого был люк, через который образцы автоматически подавались к «кобальтовой пушке». Кобальтовой она называется потому, что облучение производится гамма-лучами, которые испускает радиоактивный изотоп кобальта с атомной массой 60. Ну, а почему «пушка», понятно и без комментариев.
Пока проводится облучение, гид отводит нас еще в одну комнату, где стоит газовый хроматограф — прибор, с помощью которого можно быстро и эффективно проанализировать любую смесь; хроматограф уверенно определит, сколько соединений находится в смеси, какие именно это соединения и каково их соотношение. Здесь в облике старшего научного сотрудника снова появляется что-то факирское:
— Прошу обратить внимание, — торжественно восклицает он. — Я запускаю в хроматограф образец того гексана, который сейчас облучается на пушке. И мы видим, что это, во-первых, действительно гексан. А во-вторых, мы видим, что это чистый, можно сказать, даже очень чистый гексан: один пик и никаких побочных пичков.
Мы соглашаемся с тем, что это действительно гексан, можно сказать, даже очень чистый гексан.
Вскоре приносят облученный образец. Внешне ничего не изменилось: такая же прозрачная жидкость. Но «факир» запускает ее в хроматограф, и — ого! — из прибора ползет бумага, на которой изображены Кордильеры, никак не меньше: сплошные горы. Явно удовлетворенный «факир» подсчитывает и объясняет:
— Двадцать шесть!
— Ого! — синхронно вырывается у нас. — Двадцать шесть соединений из одного гексана!
— Что же здесь удивительного?! — говорит гид тоном, не оставляющим сомнения в том, что удивительное здесь присутствует, и в большом количестве. — Прошу к доске!
Стерев написанное прежде, гид молча и многозначительно чертит что-то вроде:
— Понятно? — спрашивает он усталым тоном артиста, который, закончив выступление, выходит на аплодисменты.
— Понятно, — отвечаем мы.
Действительно, куда понятнее. При облучении молекула гексана разлетается на осколки самой разной длины. Молекула, в которую попал гамма-квант, может распасться на две половинки: из C6H14 может получиться два осколка C3H7. Но чаще всего осколки бывают неодинаковы, скажем, C4H9 и C2H5, C5H11 и CH3 и даже C6H13 и H.
Все эти частицы не обычные молекулы, это радикалы, соединения, которые не могут существовать сколь-нибудь долгое время в свободном состоянии. Поэтому они немедленно (за ничтожные доли секунды) соединяются друг с другом. Но кто сказал, что радикал обязательно должен соединяться со «своим» радикалом? Ничто не может помешать соединиться двум радикалам C6H13, и нетрудно догадаться, что при этом образуется углеводород C12H26 с длиной цепочки, вдвое большей, чем у исходного гексана. Но могут соединиться и два радикала водорода, т. е. H + H, и образуется маленькая молекула водорода. Словом, в причудливой смеси, образовавшейся в результате облучения углеводорода радиоактивным излучением, может раскладываться самый причудливый пасьянс, в результате которого и образуется несколько десятков различных устойчивых химических соединений.
Но самое главное — это то, что длинные цепочки углеводорода при облучении распадаются на короткие. А ведь это и есть процесс крекинга. Тот самый крекинг нефти, ради осуществления которого строятся громадные заводы, потребляющие уйму энергии.
Оказывается, громоздкие аппараты, высокие температуры, громадное давление можно заменить одним-единственным процессом облучения гамма-лучами.
Вот эта одна последняя фраза и десятки фраз, которые несколькими страницами ранее потребовались для описания процесса крекинга нефти в обычном, термическом, варианте, дают представления о соотносительной сложности радиохимического и традиционного крекинга.
Как видим, не всегда развитие заключается в переходе от простого к сложному. Бывает и наоборот…
* * *
Существует проблема, одинаково волнующая представителей всех наук. Вокруг нее концентрируются интересы химиков и физиков, биологов и геологов, астрономов и географов. Называется она « Происхождение жизни на Земле ». Полагаю, что нет нужды пояснять важность проблемы.
Подчеркну другое: и здесь естествознание не могло обойтись без учета роли радиоактивности, роли важной и во многом определяющей.
* * *
Любителям развлекательного чтения придется поскучать, потому что вначале пойдут сухие сведения из некоторых точных наук.
Сведения из общей химии:
Первое. При действии водорода на углекислые соли различных металлов (карбонаты) в условиях высокой температуры образуются соединения металлов с углеродом — карбиды.
Второе. При взаимодействии карбидов с водой образуются углеводороды (например, всем хорошо известная реакция взаимодействия с водой карбида кальция; при этом образуется ацетилен).
Третье. Углеводороды при высокой температуре могут взаимодействовать с аммиаком, образуя соединения, содержащие углерод, водород и азот.
Сведения из геологии. 3–3,5 миллиарда лет назад атмосфера Земли состояла из водорода, метана, паров воды и аммиака.
Сведения из биохимии. Молекула белка вируса табачной мозаики содержит около 2 миллионов атомов.
Вот теперь, вооруженные грузом полезных сведений, можем подступиться к тайнам происхождения жизни.
То, что в первичной атмосфере Земли существовали углеводороды, аммиак и вода, знали давно. В этих соединениях содержится углерод, водород, кислород и азот — главные элементы, из которых построено живое вещество. Это навело ученых на мысль, что именно первичная атмосфера Земли стала той основой, на которой возникла жизнь.
Но до такой мысли дойти не так уж трудно. А вот поди докажи, что все произошло именно так. Что соединения первичной атмосферы, усложняясь, постепенно превратились в молекулы, которые легли в основу живого вещества.
Сказана всего одна фраза. А в ней заключено очень много. В молекуле метана пять атомов, в молекуле аммиака — четыре, в молекуле воды и того меньше — три. А в молекуле одного из простейших белков — вируса табачной мозаики — сколько? 2 миллиона.
— Ну и что, — беспечно заметит иной из читателей, — высокая температура, быть может, давление. Ну и мало ли что могло случиться! Могли сами собой синтезироваться такие сложные соединения.
Что же, попробуйте загрузить в какой-нибудь сосуд все эти газы. И проделывайте над ними какие угодно манипуляции. Можете нагревать, можете сжимать до чудовищных давлений, можете, наконец, читать над этим сосудом наиболее выразительные места из фундаментального курса органической химии. Держу пари, что ничего, кроме разве что простейших аминов да аминоуксусной кислоты, вы в этой смеси не найдете. Ну, можно еще перепробовать с дюжину наиболее эффективных катализаторов. Количество соединений увеличится до двух десятков. Но это будет все. Большего добиться не удастся.
Но ведь от метиламина и аминоуксусной кислоты до самого незамысловатого белка дистанция необозримого размера! И пока совсем неясно, как могли пройти этот путь несложные органические молекулы.
Вот почему все прежние теории происхождения жизни, а их было не так много, словно сговорившись, начинались с истории развития белка: как из белка сформировались клетки, из клеток — организмы, и тому подобное. Ну, а как возник белок?
Вот тут астрономы — а все прежние рассуждения о возникновении жизни принадлежали именно им — пошли на поклон к химикам: дескать, помогите, сами не разберемся.
— Самим-то и нам, пожалуй, не справиться, — засомневались химики.
— Так мы поможем! — ободрили астрономы.
— Ну что ж, разве что вместе… Попробуем.
Началось с вопросов.
— Чем отличалась первобытная атмосфера от нынешней, это мы уже знаем, — сказали химики. — Но не можете ли вы сообщить, чем еще отличалась планета от нынешней?
— Вращалась быстрее… — стали перечислять астрономы.
— Нет, не то, — отвечали химики.
— Похоже, что диаметром меньше была, но это не очень точно.
— И это не то, — привередничали химики.
— Магнитный полюс был не там.
— Ну и шут с ним!
— И Северный полюс не там был.
— А с тем и подавно! — сурово ответствовали химики.
— В атмосфере кислорода не было, — выложили астрономы свой последний козырь.
— А вот в этом что-то есть! — обрадовались химики. — Раз не было кислорода, сильно поглощающего космические лучи и ультрафиолетовое излучение Солнца, то эти разновидности излучения беспрепятственно проникали к нижним слоям атмосферы и даже к поверхности планеты. И могли, расщепляя молекулы газов атмосферы, насинтезировать там много разных соединений.
— Ну, если говорить об излучении, — воспрянули духом астрономы, — то следует учесть, что тогда, 3,5–4 миллиарда лет назад, радиоактивных элементов в земной коре было куда больше. Так что атмосфера тогда получала солидную долю жесткого излучения еще со стороны литосферы, так сказать, не только сверху, но и снизу.
— Нельзя ли подсчитать, хотя бы приблизительно, какой уровень радиоактивности был в то время на поверхности нашей планеты? — деловито осведомились химики.
— Приблизительно? Зачем — приблизительно? — чуть обиделись астрономы. — Мы и точно можем! — и выдали требуемую величину.
— Ого, крепко! — уважительно удивились химики. — Здесь безусловно что-то должно получиться.
С этими словами химики отправились в лаборатории для того, чтобы провести эксперименты, моделирующие условия, какие были на нашей планете вскоре после того, как сформировалась твердая оболочка и атмосфера (конечно, даже в малой степени не походившие на то, что мы видим сейчас).
В колбах были смешаны метан, аммиак, вода, простейшие углеводороды. На всякий случай установили уровень внешнего электромагнитного поля, соответствующий той геологической эпохе. Учли, что тогда первичную атмосферу пронизывали сильнейшие разряды-молнии беспрерывных гроз — воспроизвели и разряды. И наконец, облучили смесь источниками радиоактивного излучения.
Один шутник предлагал даже для пущего правдоподобия занавесить окна, чтобы в лабораторию не проникал лунный свет — астрономы утверждали, что тогда, быть может, Земля еще не обзавелась спутником.
С Луной, без нее ли, но опыт дал результаты, которые удивили химиков, а астрономов привели в состояние живейшего восторга. Оказалось, что из сравнительно несложных исходных веществ в тех неспокойных условиях, какие царили на Земле в начальные периоды ее развития, образуются достаточно сложные и разнообразные органические соединения.
Примечательно, что в образующейся смеси присутствуют многие из тех аминокислот, которые входят в состав практически всех белков биологического происхождения: глицин, аланин, валин и многие другие. Там же обнаружили и азотистые основания, также входящие обязательной составной частью в любое живое вещество: аденин, тимин, урацил.
Кроме того, эти необычные опыты химиков, преследующие своей целью узнать, как протекали реакции в земной атмосфере четыре миллиарда лет назад, показали, что там образовывались и органические соединения, пусть не очень сложного строения, но обладающие сильным стремлением вступать во взаимодействие — цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, мочевина. Специалисты в области органической химии хорошо знают, что перечисленные соединения, реагируя друг с другом, а также с иными веществами, приводят к образованию соединений, молекулы которых состоят из десятков и даже сотен атомов углерода, водорода, кислорода, азота — тех основных элементов, из каких состоит живое вещество.
Затем выяснилась дополнительная роль радиационно-химических превращений в органической химии «далекого прошлого». Если облучать сравнительно малыми дозами радиоактивного излучения сосуд, в котором растворены органические соединения с малой молекулярной массой — не более 40, то через несколько суток в сосуде, моделирующем в данном случае первичный океан Земли, образуются органические соединения с молекулярной массой, превышающей 3000. Вот какими стремительными темпами происходит при воздействии радиоактивности укрупнение органических молекул!
* * *
Не перегнул ли автор палку в своем стремлении «возвеличить» роль радиоактивности? Получается, что происхождение Земли, Солнечной системы, да и звезд, вообще, стало быть, и Вселенной, обусловлено законами радиоактивности. А теперь, оказывается, и жизнь произошла благодаря радиоактивному облучению.
Выходит, что так. Впрочем, тема далеко еще не исчерпана, и по-моему, самое интересное еще впереди.
* * *
Тот самый стул, на котором вы сидите, спокойно читая книгу, каждую минуту испускает 40 000 (сорок тысяч!) бета-частиц. Да, именно столько атомов распадается в стуле за одну минуту. Так что за то время, что вы читали вступительные фразы этого раздела, стул успел выбросить из себя в окружающее пространство, в том числе и в читателя, около сотни тысяч бета-частиц.
Постойте, не торопитесь выбрасывать стул. Поступив так, вы бы совершили крайне опрометчивый поступок. Потому что, во-первых, этот стул, несмотря на свои ежеминутные 40 тысяч распадов, абсолютно безвреден, а во-вторых, любой иной стул, если он будет только сработан из дерева, окажется не менее радиоактивным.
Я напрасно нагоняю зловещего тумана. В моем сообщении о 40 тысячах распадов в обычном стуле для читателя не должно быть ничего неожиданного. Помните, во второй главе, где много рассказывалось о радиоактивном углероде, сообщалась любопытная цифра: каждый грамм углерода биологического происхождения в минуту дает 16 распадов за счет примеси радиоактивного изотопа углерода-14, Подсчитав содержание углерода в дереве, из которого сделан стул, вы и получите величину 40 тысяч распадов в минуту.
Тот, кто, прочитав эти строки, задумает освободиться от деревянной мебели, поступит чрезвычайно глу… или, лучше скажем, легкомысленно. Не говоря о том, что эта акция не вызвала бы восторга домашних, она ничуть не способствовала бы снижению радиоактивности жилища. Почему?
Потому что в вашем доме есть стены. А стены содержат значительное количество калия. А калий содержит примесь естественного радиоактивного изотопа. А атомы этого радиоизотопа (калия-40) испускают бета-лучи.
— Что за напасть! — горестно удивится иной пессимист. — Никуда от этой радиоактивности не денешься. Вот что цивилизация наделала! Уйду в лес и буду жить на природе — уж там никакого излучения не будет!
Бедняга пессимист, его следует жестоко разочаровать. В лесу он будет жить в шалаше из веток, спать станет на соломе, а в костер пойдут шишки. А ведь во всех этих вещах радиоактивного углерода ничуть не меньше, чем в той деревянной мебели, которую он так непредусмотрительно выбросил.
Впрочем, если бы этот паникер, решив быть последовательным до конца, вздумал обходиться без шалаша и без сена, то едва ли ему от этого было бы лучше. Потому что могу сообщить ему следующее «успокоительное» известие: каждую минуту в его теле распадается приблизительно 800 000 (да, да, линотипист не ошибся — именно восемьсот тысяч) атомов различных радиоактивных элементов.
— Эге, не ошибся линотипист, так автор что-то напутал! — скажут иные читатели. — Восемьсот тысяч! Что-то очень много…
Много или мало — это уже зависит от точки зрения. А вот то, что распадов и впрямь не меньше названной величины — это точно.
На долю углерода приходится около 200 тысяч распадов в минуту (умножьте вес углерода в теле человека средних габаритов на 16, и вы получите эти 200 000).
Еще примерно 400 тысяч распадов в минуту приходится на радиоактивный калий. Ведь калий — один из самых распространенных элементов организма. Итого 600 тысяч.
Недостающие 200 тысяч с лихвой покрывают тяжелые радиоактивные элементы: уран, торий, радий. Пусть эти элементы содержатся в организме в ничтожно малом количестве, зато они обладают большой интенсивностью излучения и сравнительно небольшим периодом полураспада. Вот почему вклад их в общую радиоактивность организма велик в сравнении с их содержанием в живых тканях.
Говоря о радиоактивном распаде атомов в живом организме, нельзя забыть и о космическом излучении. Действие его на организм почти ничем не отличается от действия радиоактивных лучей. Поэтому мы без колебаний можем приплюсовать еще тысяч двести распадов. И считать, что в среднем в теле человека за минуту распадается миллион атомов.
Вот теперь впору поставить вопрос: как относятся живые организмы к этому беспрерывно — с рождения и до смерти — пронизывающему их излучению?
Вопрос этот впервые возник, конечно, у биологов. И они, считая себя не очень сведущими в вопросах радиоактивности, обратились к физикам.
— Сколько? — переспросили те. — Миллион распадов в минуту? Скажите, страсти какие! Ведь это всего 0,0005 (пять де-сяти-ты-сяч-ных!) милликюри (есть такая единица радиоактивности). А мы и с пятью милликюри работать будем, и никакого вреда нам от этого не предвидится. Так что ваш миллион распадов в минуту для нас даже не детская игрушка, а так себе — ерунда!
— Так уж и ерунда? — засомневались биологи и приступили к опытам. И были те опыты интересными, и даже очень. Биологов давно интересовал вопрос, почему клетки в живых организмах так нуждаются в калии и большей частью безразличны к натрию. В самом деле. Мы повсюду слышим: «калийные удобрения», но вот о «натриевых» что-то не слыхать.
Те из вас, кто интересуется биологией всерьез, могли читать о калиевом балансе в организме. Но вот о натриевом читать вам не придется.
Вопрос не простой. На него не ответишь, что, дескать, так захотела природа — и все (впрочем, «так захотелось природе» — это не ответ на любой научно — научно! — поставленный вопрос, а просто отговорка).
Дело в том, что натрий и калий, особенно однозарядные ионы этих элементов (а в природе натрий и калий встречаются в виде солей, в состав которых входят именно однозарядные ионы), походят друг на друга, как родные братья. Да они и есть братья. Расположены в одной группе, даже в одной подгруппе — раз. Имеют близкие физические свойства — два. Еще более сходные химические свойства — три. И даже в земной коре содержатся в одинаковом количестве — четыре. Поверьте, я без труда мог бы продолжать до «пяти», «шести», «десяти» и «двадцати двух». Но и так ясно, что братья-то братья, но живые организмы для своего развития решительно предпочитают калий натрию.
Один из опытов, поставленных для изучения биологической роли калия, можно без колебаний назвать красивым. А это немаловажно, когда опыт не только поучителен, но и красив.
Через изолированное сердце лягушки пропускали питательный раствор, в состав которого входили все необходимые вещества и, конечно же, соединения калия. Сердце исправно сокращалось и, казалось, не замечало тех необычных условий, в которых оно находится.
Но вот в растворе мало-помалу соли калия стали заменять соответствующим количеством солей натрия. Сердце сразу же прореагировало на это: ритм биения стал медленнее, сокращения — вялыми. Наконец, когда весь калий был заменен на натрий, сердце остановилось.
Тогда к натриевому раствору добавили незначительное количество радия. В весовом выражении это была совершенно нечувствительная величина. Но поскольку радиоактивность радия много выше, чем калия-40, радиоактивность питательного раствора стала такой же, как радиоактивность исходного раствора, когда в нем были только соли калия. Сердце начало сокращаться снова и билось исправно столько времени, сколько вообще положено биться сердцу, извлеченному из организма.
Можно ли показать более наглядно, что живым клеткам необходим не столько калий как таковой, сколько его радиоактивность? Между прочим, отличные результаты получались и тогда, когда радий не вводили в питательный раствор, а облучали лягушечье сердце радием извне. И в этом случае сердце ритмично и правильно сокращалось, радуя экспериментаторов.
И снова — в который раз! — было получено доказательство того, что процессы, протекающие в организме, — не просто совокупность каких-то химических реакций, каких-то физических явлений. Нет, биологию не сведешь к учебникам физики и химии.
То, что для физиков представляется малостью, на которую и внимания-то обращать не хочется, организм, как видно, использует, и притом весьма целесообразно. В самом деле, не мог же он позволить, чтобы миллион распадов в минуту — целый миллион! — пропадал без дела.
Открытие сразу же было взято на заметку. А что, если попробовать облучать радиоактивными лучами растения — скажем, табак. Посмотрите на рисунок. Два цветка табака, которые выращивались в абсолютно равных условиях. Левый рос как обычно. А правый облучали каждый день малыми порциями радиоактивных лучей. Результат очевиден.
Вот почему на экспериментальных полях многих научных институтов можно видеть любопытную картину. Поле как поле. На одном участке наливаются соком помидоры, на другом взвиваются побеги огурцов, на третьем зеленеют арбузы. Вдруг раздается резкий звонок. И все, кто в этот миг находится на поле, кладут сапки и лопаты и торопливо устремляются к блиндажу, который сильно смахивает на бомбоубежище. Раздается второй звонок. Идущие прибавляют шаг. После третьего звонка опоздавшие мчатся по полю со скоростью признанных спринтеров. Налет вражеских самолетов? Бомбардировка?
Ничего подобного. Самолеты на небе не появляются. А если и пролетит какой, то никто на него внимания не обратит. Зато все смотрят через перископы в центр поля. Там высится не очень высокая мачта. Через несколько секунд после третьего звонка на мачте начинает работать электромотор, который вытягивает небольшой цилиндр. Цилиндр начинает вращаться с таким важным видом, как будто из него сейчас посыплются экзаменационные билеты.
Но ничего из цилиндра не сыплется. И он, повертевшись минут пять, отправляется обратно под землю. После чего раздается резкий звонок отбоя, все выходят из блиндажа и разбирают сапки и лопаты.
Все описанное — всего-навсего экспериментальное облучение сельскохозяйственных культур. Результаты? Самые очевидные. Урожай редиса повышается на 40 процентов, капусты — на 20, ржи — на 25, а урожай вегетационной массы гречихи — даже в полтора раза.
Интересно, что вовсе не обязательно облучать растения во время их развития. Иногда оказывается достаточным облучить семена перед посевом. Операция простая, а эффект большой.
Но неправ будет тот, кто подумает: проблема повышения урожайности решена. Дескать, теперь жизнь пойдет иная: облучай растения, собирай урожай, всего-то и делов.
Нет, влияние радиоактивного излучения на живые организмы — проблема куда более сложная, чем это может представиться из рассказанного.
Начать с того, что далеко не всегда и далеко не во всех дозах радиоактивное облучение оказывает благотворное действие на живые организмы.
Большинство жертв двух бесчеловечных атомных бомбардировок японских городов Хиросимы и Нагасаки в 1945 году обусловлено именно действием той сильнейшей радиации, какая сопровождает взрыв атомной бомбы. Кроме того, продукты распада урана или плутония («взрывчатка» атомных бомб) первые сутки после взрыва обладают громадной радиоактивностью.
Радиоактивные частицы, врезываясь в живые клетки, производят там колоссальные разрушения. Это, конечно, на пользу клетке идти не может. Ну, а если облучение задевает жизненно важные центры клетки, то клетка погибает.
Здесь надо сказать, что даже самое небольшое количество радиоактивности может нанести непоправимый вред организму. Это в том случае, если поврежденными окажутся клетки, которых в организме немного и которые несут важную биологическую функцию. Природа защитила эти клетки от тех миллионов распадов, которые происходят ежеминутно в человеческом теле. Но даже мудрая природа не смогла предусмотреть, что человек начнет заниматься, скажем прямо, глупым делом: станет бурно увеличивать уровень радиоактивности.
Вот почему любое, даже не очень значительное, превышение радиоактивного фона Земли может иметь неприятные последствия. И вот почему с первых же дней рождения атомного оружия Советский Союз ведет упорную и последовательную борьбу за запрещение этих бесчеловечных средств массового уничтожения людей и за запрещение испытаний атомного, водородного и нейтронного оружия, при взрывах которого в атмосферу выбрасываются громадные количества радиоактивных веществ.
* * *
Впрочем, имеется одна довольно мирная отрасль человеческой деятельности, где исследователи с охотой применяют радиоактивные лучи для целей… убийства. Уже созданы приборы, которые позволяют с помощью радиоактивности «одним махом» убивать миллионы живых существ. И исследователи очень довольны. Убийцы в белых халатах? Не спешите с выводами. Да и не вяжется слово «мирный» с напрашивающейся мрачной картиной.
* * *
Как представляют нынче жизнь пиратов в былые времена? Бороздит южные моря корабль под черным флагом, на котором не очень искусно намалеваны череп и кости. На корабле загорелые билли бонсы горланят непристойные песни и тянут ром из старинных, зеленого стекла бутылок. («Ио-го-го, и бутылка рому!..») Забот никаких! Разве только пограбить очередную шхуну да вздернуть сопротивляющегося капитана на реях. А потом снова за карты да за ром, за песни, пока вахтенный не приметит очередную жертву.
Ничего подобного! В действительности у пиратов была каторжная жизнь. Целый день они носились по кораблю, не имея свободной минутки. Всех дел и не перечесть!
Телят накорми. За свиньями прибери, хлев проветри. Курам дай пшена. Овец выгони на палубу. А дух, дух-то какой! Прямо хоть и не живи на свете. Вот и боцман ругается, что не уберегли молодого бычка: тюкнуло его во время шторма башкой о борт — отдал черту душу. Эх, жизнь…
Пиратов жалеть, конечно, не стоит. Но, рискуя испортить морским романтикам настроение, нельзя не заметить, что 300–400 лет назад любой морской корабль сильно смахивал на плавучую свиноферму. А как же иначе?! Корабль отправляется в плавание надолго — на много месяцев, а то и на несколько лет — и необходимо запастись пропитанием. Сидеть же годы на солонине — не очень приятно. Вот и приходится грузить на корабль живность. А за ней присмотр надобен.
Сегодня для длительных путешествий никто, конечно, не будет запасаться живыми быками. Люди придумали множество способов консервировать продукты питания — пастеризацию, копчение, соление, сахарение и многое иное. Но все эти способы изменяют первоначальные и вкус, и внешний вид, да и питательные качества продукта.
По себе знаю — после трехнедельного туристского похода даже на самые изысканные консервы смотришь без особого энтузиазма. Всего после трехнедельного… А каково экспедициям, скажем, полярникам, которые находятся в отрыве от продуктовых магазинов очень подолгу?
Согласитесь, что проблема сохранения продуктов в первозданном виде — достаточно важная. И здесь радиоактивность оказывает существенную услугу.
Радиобиологи — специалисты, изучающие действие радиоактивного излучения на живые организмы, — знают одно важное правило. Чем более высокоорганизован животный или растительный организм, тем он чувствительнее к действию радиоактивного облучения. Доза радиации, смертельная для человека, не приведет к гибели белой крысы. Радиоактивное облучение, от какого погибнет крыса, не окажет заметного действия на тараканов.
Пользуясь этими закономерностями, радиобиологи могут подбирать такие дозы радиации, какие окажутся гибельными для гнилостных бактерий, но не окажут сколь-нибудь вредного действия на пищевой продукт. Если запаковать такой облученный продукт в оболочку, непроницаемую для микробов, то теперь его можно хранить очень долго. И без всяких холодильников.
Гамма-лучи — надежное средство стерилизации лекарственных препаратов. Выгода этого способа очевидна. Очень многие лекарственные вещества, например, растворы для инъекций, нельзя обеззараживать нагреванием, так как оно разрушает органические вещества, входящие в состав лекарства. Радиохимическое облучение же не сопряжено с разогреванием и поэтому так пришлось по душе фармацевтам.
Ну, а коль скоро радиобиологи справляются с микробами, то с тем большим успехом они могут уничтожать личинки мух и вредных паразитов, которые грозят качеству мясных продуктов.
Еще одна отрасль промышленности с удовольствием прибегла к радиационной стерилизации. При производстве лекарственных веществ и препаратов, особенно тех, которые используются для приема внутрь или для инъекций, основной заботой является их стерилизация. Но хорошо, если препарат выдерживает продолжительное нагревание. Тогда ампулы с этим препаратом кипятят нужное время — и проблема решена.
Ну, а если препарат разлагается при нагревании? Тогда приходится туго. Тогда прибегают к различным ухищрениям, которые удорожают стоимость лекарства, нередко в десятки раз.
А ведь нагревание можно заменить радиооблучением на протяжении 2–3 минут — и препарат стерилен в такой же степени, как при многочасовом кипячении.
И еще в этой главе о радиационной химии и радиобиологии следовало бы рассказать, как с помощью радиоактивности
— ускоряют рост дрожжей,
— быстро и эффективно окисляют химические вещества,
— убивают вредителей в зерне, чем резко повышают будущий урожай,
и еще о многих вещах, не менее интересных и важных, чем те, о которых было рассказано и на которые тем не менее не хватило ни места, ни времени.
Но что поделаешь? Обо всем рассказывают только энциклопедии. Да и те не поспевают за стремительным бегом науки.
* * *
Читатель, вместе с автором дошедший до конца книги, вправе задать вопрос:
— Что же, вы считаете, что из всех явлений, окружающих нас в нашей жизни, в природе, во Вселенной, радиоактивность — самое что ни на есть важное?
Ответить на этот вопрос не просто. С одной стороны, для каждого специалиста предмет, какому он посвятил свою научную жизнь, — космогония, анатомическое строение органов осязания у черных тараканов, синтез новых элементов, уточнение седьмого члена в уравнении движения материальной точки в упруго-вязкой среде, — этот предмет САМЫЙ ВАЖНЫЙ. С другой стороны, каждый из них понимает, что в нашей жизни, в природе, во Вселенной все так тесно взаимосвязано и так непосредственно влияет друг на друга, что не важных явлений не бывает, попросту не может быть. И каждое из них может быть предметом отдельной книги, такой, как эта книга о роли радиоактивности в нашей жизни, в природе, во Вселенной.