Солнце в роли химика

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.

Два варианта химических пут

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.

Химия и излучение

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.