Странные причуды угарного газа

Соединение совсем нехитрое. Всего один атом углерода и один кислорода. В быту называется угарным газом, в науке – окисью углерода. Весьма ядовито, в химические реакции вступает неохотно – вот краткая характеристика вещества с примитивной формулой CO.

…Так было или не совсем так, но в 1916 году на одном немецком химическом заводе произошло событие малоинтересное. Понадобился кому‑то старый‑престарый стальной баллон (в нем лет пять кряду под давлением хранили смесь двух газов – водорода и окиси углерода). Его вскрыли, газы выпустили, а на дне баллона обнаружили немного жидкости светло‑коричневого цвета, с неприятным, каким‑то «пыльным» запахом.

Оказалось, что жидкость эта – известное, но очень редкое химическое соединение атома железа с пятью молекулами угарного газа. Пентакарбонил железа Fe(CO)₅ – так именовалось оно в химических справочниках.

(Кстати, о судьбах научных открытий. Пентакарбонил железа в один и тот же день – 15 июня 1891 года – получили двое ученых: Бертло во Франции и Монд в Англии. Право, такие совпадения встречаются не столь уж часто.)

Разобрались, как возникло вещество в баллоне. Здесь не было ничего сверхъестественного. Водород сделал внутреннюю железную поверхность вместилища чрезвычайно активной, восстановив окислы железа до металла. Угарный газ, находясь под давлением, прореагировал с железом. Изучив механизм реакции, химики на этом же заводе сконструировали аппарат, в котором можно было получать килограммы вещества.

Дело в том, что пентакарбонил оказался нужным для практики. Он неплохо зарекомендовал себя в качестве антидетонатора (прямо скажем, везет нам на них!). Было даже создано специальное горючее с добавкой пентакарбонила железа – так называемый моталин. Но недолго проездили автомобили на моталине. Пентакарбонил слишком легко разлагался на составные части, и железный порошок забивал поршневые кольца двигателей. А тут еще подоспело открытие ТЭСа…

Отметим про себя легкость разложения пентакарбонила железа и обратимся на время к проблемам несколько иного плана.

Карбонилов теперь известно множество: для хрома и молибдена, вольфрама и урана, кобальта и никеля, марганца и рения. По свойствам эти соединения различаются: одни – жидкости, другие – твердые тела; одни – неустойчивы, другие, напротив, достаточно прочны.

Но есть у них одно общее и весьма любопытное качество: обычные представления о валентности неприменимы для объяснения строения карбонилов.

Вспомните: в комплексных соединениях к ионам металлов присоединяются нейтральные молекулы, притом в различном количестве. Поэтому в химии комплексных соединений пользуются понятием не валентности, а координационного числа. Оно показывает, сколько молекул, атомов или сложных ионов связано с центральным атомом.

Карбонилы еще более своеобразные плоды выдумки природы. В них с нейтральными молекулами связаны нейтральные атомы. Валентность металлов в этих соединениях приходится считать равной нулю! Ведь окись углерода – нейтральная молекула.

Вот еще один из парадоксов химии, и, признаться, он до сих пор не имеет строгого теоретического объяснения.

На этом мы закончим маленький теоретический экскурс.

Карбонилы металлов оказались лакомым кусочком для практики.

Например, в роли катализаторов.

Но это амплуа карбонилов не самое главное. Есть кое‑что и поважнее.

Вернемся еще раз на тот самый завод, на складе которого был найден старый баллон, на дне которого обнаружилась непонятная жидкость, которая оказалась пентакарбонилом железа, который…

«Который», словом, начали получать чуть ли не в промышленном масштабе. Но вот однажды рабочий, приставленный к аппарату синтеза, замечтался, и началась утечка пентакарбонила. Пары вещества оседали на стальной лист, лежавший неподалеку. Рабочий, наконец, обнаружил аварию и быстро ее ликвидировал, нечаянно столкнув лист в пролет здания.

Охотничья байка гласит: «Раз в год и палка стреляет». Стальной лист, мирно лежавший на солнце, упав вниз, взорвался.

Специальная «комиссия по расследованию» провела не одно заседание, прежде чем эксперты констатировали: лист «взорвался» потому, что был покрыт чрезвычайно мелким порошком железа. Всякие измельченные порошки вообще склонны к взрыву – взрывает, например, мучная пыль, сахарная пудра.

Железный порошок на листе образовался в результате разложения пентакарбонила.

Приготовление мельчайших металлических порошков путем разложения карбонилов металлов чрезвычайно заинтересовало ученых.

Они выяснили, что такие порошки отличаются весьма своеобразными свойствами. Размеры их частиц исключительно малы, чуть более микрона. Например, порошок железа можно получить в виде пышной железной «ваты», состоящей из прочных металлических цепочек.

Укладываясь на горячей поверхности, карбонилы образуют на ней весьма прочную и тонкую пленку. И при всем этом порошки и пленки обладают ценнейшими магнитными и электрическими свойствами, что открыло им широкую дорогу в радиотехнику и электронику.

Карбонильные порошки привлекательны и для порошковой металлургии.

Красное и зеленое

Они оба – сложнейшие органические вещества. Чтобы изобразить их структурные формулы, понадобилась бы целая страница в нашей книжке. Оба они комплексные соединения, притом необычные: единственный атом металла славно затерялся в центре сложного ажурного каркаса, состоящего из нескольких циклов. Химики называют такие соединения внутрикомплексными.

Они – это гемоглобин и хлорофилл. Красный цвет крови, зеленая окраска растений – их рук дело. Эти два вещества держат ключи ко всему живому на Земле.

«Стержень» гемоглобина – атом железа. Кровь разных животных содержит различные гемоглобины, но устроены в основе своей они одинаково. В крови человека около 750 граммов гемоглобина.

Гемоглобин переносит кислород от органов дыхания к тканям организма.

Хлорофилл устроен почти так же. Но атом металла в нем иной, это атом магния. Жизненная функция хлорофилла очень ответственна и сложна. С его помощью растения ассимилируют углекислый газ из воздуха.

Химики лишь начинают познавать сущность механизма работы гемоглобина и хлорофилла. Видимо, очень существенную роль играют центральные атомы металлов – железа и магния.

Но оказывается, у природы чрезвычайно богатая фантазия. Железо и магний – вовсе не единственные металлы, которые могут забираться внутрь порфинового скелета (так называется органический каркас, общий для гемоглобина и хлорофилла). В амплуа металлического «стержня» могут выступать медь, марганец и ванадий.

Обитают на Земле существа с… голубой кровью. Это некоторые виды моллюсков. В гемоглобине их крови железо отсутствует; его место занимает медь.

Вот какие удивительные экспонаты обнаруживаются в нашем химическом музее!

Все в одном

В начале 30‑х годов нашего века геохимики высказали очень интересную гипотезу. В любом природном образце, утверждали они, будь то осколок камня, деревянный брусок, щепоть земли, капля воды – словом, всюду можно отыскать атомы всех до единого химических элементов, известных на Земле.

Такое предположение поначалу показалось фантастическим. Но взор аналитической химии с каждым годом становился все острее. Методы анализа позволяли обнаруживать миллионные и миллиардные доли грамма веществ. И выяснилось, что если идея геохимиков верна и не на все сто процентов, то, во всяком случае, не так уж далека от истины.

Действительно, интересно: в камне, поднятом на берегу реки, мы находим кремний и алюминий, калий и цинк, серебро и уран – чуть ли не всю периодическую систему Менделеева. Конечно, большинство элементов будет содержаться в количестве считанных атомов – любопытен сам факт.

Наивно было бы думать, что в найденном камне все элементы входят в состав какого‑то одного соединения. Отнюдь нет! Мы имеем дело со сложной смесью сложных химических веществ. Главную роль в них играют кремний, алюминий и кислород. Остальных же элементов меньше, а многие вообще составляют ничтожную примесь.

Так в природе. А в химической лаборатории? Могут ли ученые приготовить соединение, в молекулу которого входили бы все элементы менделеевской таблицы?

Химикам приходилось получать очень сложные вещества, состоящие более чем из десятка элементов. Но немногим более. И никто пока еще не ставил себе задачу создать такую молекулярную постройку, где химическими узами связались бы все обитатели Большого дома. Не только потому, что руки не дошли, да и для практики это малоинтересно. Соорудить такую молекулу‑монстра чрезвычайно трудно.

Трудно, но, по‑видимому, возможно.

Редкое химическое соединение удается получить в один прием, провести реакцию в одну стадию. Если бы мы задались целью построить молекулу, объемлющую все химические элементы, потребовались бы многие десятки, а то и сотни стадий. Столь сложное «здание» можно воздвигнуть только по частям.

Мы не беремся изобразить на бумаге формулу даже простейшего варианта гипотетического «всеэлементного» соединения. Просто потому, что никто еще не продумал путей его создания.

Когда нет проекта, нет чертежей сооружения, его невозможно представить себе отчетливо. Можно только фантазировать.