Во второй половине XIX века многие ученые, особенно физики, всерьез полагали, будто все основные открытия в науке уже сделаны, и жалели своих преемников, ученых XX века, на долю которых останутся только кое-какие уточнения. В связи с этим вспоминается история, случившаяся с выдающимся немецким физиком, лауреатом Нобелевской премии Максом Планком (1858–1947); именно он «изобрел» в 1900 году кванты, которые породили массу новых «квантовых» наук, в том числе и квантовую химию. Когда молодой Планк пришел к семидесятилетнему профессору Мюнхенского университета Филиппу Жолли (1809–1884), известному своим изобретением воздушного термометра, и сказал, что хотел бы посвятить себя теоретической физике, то услышал неожиданную отповедь: «Молодой человек! Зачем вы хотите испортить себе жизнь? Ведь здание теоретической физики уже в основном завершено. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?»

Совершенно иначе смотрят на эту проблему современные ученые. Вот что написано в предисловии к одной из книг по химии: «Далекие от науки люди часто полагают, что раз уж существует какая-либо солидная наука, то уж, конечно, зиждется она на прочном и основательном фундаменте; дело нынешнего поколения — постройка очередного этажа, поскольку все остальное здание уже построено. Однако ни один исследователь так не думает. Более того, именно в фундаменте науки часто обнаруживаются серьезные недоделки, возникает необходимость существенной перестройки основных, опорных представлений. Исследования, направленные на совершенствование этих представлений, и называют фундаментальными — не за объем, а именно за направленность».

Автор другой книги по химии, хотя и смотрит на ту же проблему несколько иначе, фактически говорит о том же: «Вот человек трудится всю жизнь. Творение вырастает во всей красе. Проходят годы. Увенчанный лаврами строитель, может быть, еще жив. Но сооружение уже кажется уродливым и никчемным. Приходят другие люди с отбойными молотками. Монолит теории превращается в гранитную крошку, и пыль застилает все вокруг. На освободившемся месте возводится нечто воздушное из стекла и металла. Может быть, и это чудо техники обречено на слом. Кто знает? Но оно прекрасно и необходимо — сейчас… И фасад, и внутренняя планировка «здания науки» непрерывно меняются. И как надежда на совершенство, незыблемо стоят фундаментальные теории — творения великих мастеров».

К таким фундаментальным теориям, без сомнения, можно отнести периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 году. Об этом законе его автор писал в конце своей жизни: «По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещается». Так оно и случилось.

Как видим, многие ученые представляют себе науку как строящееся здание, и это очень образное представление — ведь все видели, как строится дом. Однако современную науку, в том числе и химию, можно представить не только как бесконечно строящееся здание, но и в виде красочной мозаики, над которой в разных местах трудится множество мастеров. Одни начищают «свое» небольшое стеклышко до блеска и занимаются этим всю жизнь; иногда над одним стеклышком трудится несколько человек одновременно (при этом они вполне могут быть незнакомы друг с другом и даже говорить на разных языках). Другие заменяют старые, покрытые пылью и потускневшие детали на новенькие, только что изготовленные в их лабораториях, или же встраивают их на «пустые места». Третьи скептически оглядывают всю картину и пытаются давать рекомендации другим, что и как необходимо делать. Четвертые… В общем, жизнь в мастерской бьет ключом и каждый может найти себе в химии дело по душе.

На этот с виду простой вопрос люди разных профессий ответят по-разному. Про стол и стул многие скажут, что они сделаны из дерева (а может быть, пластмассы; бывают и металлические стулья, неспециалисты скажут про них — «железные»). Бутылка или стакан сделаны из стекла; дешевая ложка или кастрюля — из алюминия, ложка получше — из нержавеющей стали, а ложка из богатого старинного дома — из серебра; гвоздь или иголка — из железа. Из железа сделан и автомобиль (но, конечно, кроме железа, в нем есть и стекло, и пластмасса, и много разных других материалов). Все это совершенно правильно. Хотя химик может и уточнить, сказав, что стул сделан из древесины, которая состоит в основном из целлюлозы. О стуле из пластмассы он может сказать — из какой именно пластмассы. Такое же уточнение он может сделать и в отношении пластмассовой бутылки. Например, увидев в нижней ее части выдавленную латинскими буквами надпись

РЕТ,

он сразу поймет, что это — сокращенное международное обозначение пластмассы (полиэтилентерефталата).

Но даже специалисту не всегда легко так же просто сказать, из чего состоят, например, волосы или кожа человека, какое-нибудь лекарство или мазь в тюбике. Он может лишь сказать, что это сложная смесь — композит.

А теперь вопрос потруднее: из чего состоит дерево, стекло, пластмасса, алюминий, железо, а также множество других металлов, их сплавов и неметаллов? Мало кто из людей задумывался раньше над такими «ненужными» вопросами. А так ли они не нужны? Ведь если знать, «из чего сделаны» разные металлы, то, может быть, удастся превратить свинец в золото? И не так уж важно, что свинец темный, тусклый, легко плавится, а если его нагреть посильнее, он и вовсе превратится в «окалину» желтого цвета — в свинцовый глет или в красный свинцовый сурик (эти вещества издавна использовали для приготовления глазурей и красок). А вот золото — желтое, блестящее, расплавить его намного труднее, оно никогда не «портится», не превращается при нагревании в окалину, не растворяется в кислотах. Недаром алхимики (так называли средневековых химиков) считали золото «царем металлов». Они были потрясены, когда обнаружили «адскую смесь» из соляной и азотной кислот, которая оказалась способна растворить само золото! Эту смесь так и назвали — царская водка (рис. 1.1).

Все мы постоянно находимся в мире, где царствуют числа. Этими числами измеряется все: иена — на хлеб или на гектар леса, время — до окончания урока или до выключения двигателя ракеты, расстояние — между шкафом и диваном и между скоплениями галактик, масса — атома урана и урожая пшеницы, температура — тела больного и чугуна в доменной печи… А еще измеряются сила электрического тока и сила света, плоские и телесные углы, площади и объемы, скорости и ускорения, плотности тел и их сжимаемость, твердость и давление, энергия и мощность, жесткость воды и влажность воздуха, частота и период колебаний, электрический заряд и электропроводность, магнитный поток и магнитная восприимчивость, яркость и освещенность, прозрачность и мутность, интенсивность радиации и период полураспада… Перечислять можно очень долго. И, конечно, не химики первыми начали производить измерения. И не физики. Без измерений могут обходиться только животные. Уже первобытные люди должны были считать дни до начала наступления холодов или дни до периода дождей и разлива рек. Конечно, единицы измерения, если не считать «естественных», таких как сутки и год, у всех были разные: масса и длина ячменного зерна, расстояние между концами вытянутых пальцев кисти или между поднятой рукой и ногой (во всех таких случаях речь, естественно, шла только о средних величинах; иногда эти величины узаконивали, «привязывая», например, к длине локтя или ступни монарха).

Понятно, что у каждого племени, а потом и у каждого народа появлялись свои единицы измерения; это вносило большие неудобства в общение между ними. И такие неудобства до сих пор окончательно не изжиты, хотя еще в середине XX века была принята Международная система единиц (СИ). Вот и приходится переводить английские единицы давления

psi (pounds per square inch,

т. e. фунты на квадратный дюйм) в привычные дня нас килограммы на квадратный сантиметр (атмосферы), градусы Фаренгейта, по неудобной формуле, — в градусы Цельсия, морские и географические мили — в километры, футы — в метры, фунты — в килограммы, галлоны и баррели — в литры, даты по лунному календарю и по хиджре (где летоисчисление ведется с 662 года, когда пророк Мухаммед переселился из Мекки в Медину) — в даты по «новому» (а иногда и по «старому») стилю солнечного календаря, не говоря уже о пересчете наших рублей в украинские гривны или ангольских кванз в свазилендские лилангени. Как совершенно справедливо заметил М. И. Грамм, автор «Занимательной энциклопедии мер. единиц и денег», если бы знаменитая Книга рекордов Гиннеса появилась лет 200 назад, в ней почти никто не смог бы разобраться — настолько непохожи были в разных странах единицы измерения чего угодно. Немецкий математик п физик Иоганн Ламберт (1728–1777) в своей книге «Пирометрия» (этот термин дословно означает «измерение теплоты») описал 19 разных температурных шкал, которыми пользовались в XVIII веке! Сейчас от них остались только три, но и это слишком много.

К счастью, теперь хотя бы в научных публикациях в большей или меньшей степени используется единая система мер — СИ (или

Посмотрим теперь, с какими основными измерениями и с каким оборудованием приходится иметь дело химикам. А заодно проведем несколько небольших «домашних» измерений, из которых можно получить довольно интересные, а иногда и неожиданные результаты.

Один из самых великих ученых древности Архимед был родственником царя Гиерона, который правил в городе Сиракузы на острове Сицилия. Как-то царь заказал своему ювелиру изготовить ритуальный золотой венец, который использовался во время жертвоприношений. Чистое золото слишком мягкое, поэтому в золотые изделия дня придания им твердости добавляют определенное количество меди или серебра. Гиерон, подозревая своего ювелира в обмане, поручил Архимеду доказать, что в корону подмешано больше меди, чем следовало. Архимед долго и безуспешно пытался решить эту задачу. Ведь никаких методов химического анализа в те времена еще не существовало. Единственный способ заключался в определении плотности металла, а для этого надо было взвесить корону (что не составляло труда) и определить ее объем — а вот это сделать для предмета неправильной формы не так-то просто! Предание гласит, что решение пришло неожиданно, во время приема ванны: ученый обратил внимание на то. что его тело выплеснуло из ванны часть воды на пол, а само стало весить намного меньше. Значит, об объеме веса тела (причем не обязательно Архимедова!) можно судить по тому, насколько оно потеряет в весе при погружении в воду. Архимед был настолько взволнован этим открытием, что выскочил из ванны и, забыв о том, что он голый, побежал по улицам Сиракуз с радостным криком: «Эврика!» (что в переводе означает «Нашел!»). Так это было или иначе — доподлинно неизвестно, несомненно лишь то, что именно Архимед открыл знаменитый закон, названный впоследствии его именем. После этого задача с короной была быстро решена: Архимед знал плотность чистого золота (по современным данным 19,3 г/см

3

— это один из самых тяжелых металлов) и меди (8,96 г/см

3

). Возможно, при изготовлении короны золото было сплавлено не с чистой медью, а с бронзой — сплавом меди и олова; Архимед, конечно, знал и плотность бронзы. Измерив плотность короны, Архимед вычислил долю золота в сплаве.

Попробуем повторить опыт Архимеда. Конечно, мы возьмем не золотую корону, а что-нибудь попроще, например, старую серебряную ложку. А действительно ли она серебряная? Естественно, если сохранилось клеймо, на котором указана проба серебра, то никаких измерений не потребуется. А если оно не сохранилось или на нем ничего разобрать нельзя даже с помощью лупы? Тут-то и пригодится способ, придуманный Архимедом. Плотность — это отношение массы к объему. Массу ложки легко определить взвешиванием. А как найти ее объем? С помощью тонкой нитки привяжем ложку к одной из чашек весов и взвесим ее. Теперь повторим взвешивание, аккуратно опустив ложку в кастрюлю или большую банку с водой так, чтобы ложка не касалась стенок (подобные измерения плотности проводил еще Роберт Бойль, как это видно из рис. 1.1). В соответствии с законом Архимеда, ложка должна потерять в весе ровно столько, сколько весит вода, вытесненная ложкой. Плотность воды при комнатной температуре почти не отличается от 1,00 г/см

Если у кого-нибудь есть дома школьная медаль — «золотая» или «серебряная», можете попробовать таким же способом измерить ее плотность. После этого станет понятно, почему слова, обозначающие достоинства медали, взяты здесь в кавычки. Если таких «сувениров» не отыщется, вот результаты измерений автора.

Медаль № 1. «Золотая» медаль, выданная в 1962 году. Диаметр — 40 мм. На одной стороне — надпись «РСФСР» и соответствующий герб (сейчас уже мало кто помнит, в каком порядке в этой аббревиатуре следуют слова «социалистическая» и «советская»); на другой стороне изображена книга в лавровом венке и надпись «За отличные успехи в учении, труде и за примерное поведение» (ее острословы быстро переиначили: «За тихие успехи и громкое поведение»). Масса медали (взвешивание проводилось в домашних условиях на простых аптекарских весах, которые подвешиваются за колечко на гвоздик) равна 26,46 г в воздухе и 23,48 г — в воде. Отсюда объем медали — 2,98 см

Чтобы повторить в лаборатории то, что давно «изобрела» природа, а потом воспроизвести этот синтез на химических предприятиях в промышленном масштабе, необходимо прежде всего знать, из каких элементов построены нужные нам вещества. Этим занимается качественный анализ. Такой анализ всегда считался одной из важнейших задач химии. Он начал интенсивно развиваться в конце XVIП века. С помощью методов качественного анализа французский химик Мишель Эжен Шеврёль (1786–1889) в начале XIX века выяснил, например, из каких элементов состоит дорогой синий краситель индиго, свиной жир и даже… кости динозавра.

Но мало узнать, какие элементы содержатся в веществе. Надо еще выяснить, в каких именно пропорциях они там находятся. Это — тоже задача аналитической химии, того ее раздела, который называется количественным анализом. В течение сотен лет разрабатывались (и продолжают разрабатываться до сих пор) методы качественного и количественного анализа. В результате анализа вещества химик определяет, из чего оно состоит, какие в нем содержатся компоненты, какими атомами и в каких пропорциях они представлены. Современные приборы позволяют найти один-единственный атом примеси среди миллиардов атомов других элементов. Представьте себе несколько миллиардов шариков диаметром 1 см (для их перевозки потребуется целый железнодорожный состав). И среди них нужно обнаружить один шарик, отличающийся от других. Это намного труднее, чем найти иголку в стоге сена.

Анализы проводятся в научных институтах — например, когда требуется узнать состав вновь синтезированного соединения или вещества, выделенного из растительного сырья, а может быть, и вещества лунного грунта, доставленного на Землю космическим аппаратом! Вообще так называемая «космическая аналитика» — сравнительно новая, быстро развивающаяся область аналитической химии. С ее помощью удалось узнать много важного о Луне, планетах, метеоритах, кометах, межпланетном пространстве. С помощью автоматических аналитических приборов произведен анализ атмосферы Венеры, фунтовых пород на Марсе (например, было установлено, что на глубине 30–60 см там находятся большие скопления льда). Обнаружены молекулы органических веществ в космическом пространстве, причем довольно сложные, на основании чего была разработана одна из теорий возникновения жизни на Земле — космическая. Теперь ученые заняты интересной аналитической задачей — попыткой обнаружить на Марсе аминокислоты и нуклеиновые кислоты, которые могли бы свидетельствовать о наличии жизни на этой планете. Ежедневные анализы совершенно необходимы и для жизнеобеспечения обитателей космических кораблей и космических станций длительного функционирования.

Но не только космосом жив человек. Чтобы контролировать состав самых разных изделий, от быстрорежущих сталей до красителей, ежедневно огромное количество анализов проводится в заводских лабораториях. Анализы делают геологи в полевых условиях, чтобы узнать, какие минералы и какие полезные ископаемые им встретились. Таможенники должны проводить анализы на взрывчатые и наркотические вещества, а военные — на присутствие в воздухе боевых отравляющих веществ. Медики-токсикологи должны определять предельно допустимые концентрации вредных веществ в окружающей среде. Еще больше забот в этой сфере у медиков-гигиенистов; кстати, они едва ли не главные при установлении предельно допустимых концентраций вредных веществ. Химики-фармацевты должны анализировать лекарственные препараты, многие из которых представляют собой смесь очень сложных по составу химических соединений. Агрохимики анализируют состояние почвы — ее кислотность, наличие полезных веществ (прежде всего — азота, фосфора и калия). Специальные службы анализируют воду в реках, озерах, на водопроводных станциях, выявляя присутствие вредных для человека и животных веществ. Другие службы проводят анализ воздуха в домах, производственных помещениях, в глубоких шахтах, чтобы выявить, нет ли в воздухе вредных и взрывчатых веществ, например, метана, а если есть, то не опасно ли его содержание (метан взрывается — на кухне или в шахте — если его в воздухе накапливается больше 5