Коллектив авторов - Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий

• Название: Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий
• Автор: Коллектив авторов
• Жанр: Научпоп
• Год: 1983

«Популярная библиотека химических элементов» содержит сведения обо всех элементах, известных человечеству. Сегодня их 107, причем некоторые получены искусственно.

Как неодинаковы свойства каждого из «кирпичей мироздания», так же неодинаковы их истории и судьбы. Одни элементы, такие, как медь, железо, сера, углерод, известны с доисторических времен. Возраст других измеряется только веками, несмотря на то, что ими, еще не открытыми, человечество пользовалось в незапамятные времена. Достаточно вспомнить о кислороде, открытом лить в XVIII веке. Третьи открыты 100—200 лет назад, но лишь в наше время приобрели первостепенную важность. Это уран, алюминий, бор, литий, бериллий. У четвертых, таких, как, например, европий и скандий, рабочая биография только начинается. Пятые получены искусственно методами ядерно-физического синтеза: технеций, плутоний, менделевий, курчатовий… Словом, сколько элементов, столько индивидуальностей, столько историй, столько неповторимых сочетаний свойств.

В первую книгу вошли материалы о 46 первых, по порядку атомных номеров, элементах, во вторую — обо всех остальных.

---

Углерод глазами химика-органика

По словам известного советского ученого академика И.Л. Кнунянца, органическую химию можно рассматривать как своеобразный мост, перекинутый наукой от неживой природы к высшей ее форме — жизни. А всего полтора столетия назад лучшие химики того времени сами считали и учили своих последователей, что органическая химия это наука о веществах, образующихся при участии и под руководством некоей странной «материи» — жизненной силы. Но скоро эту силу отправили на свалку естествознания. Синтезы нескольких органических веществ — мочевины, уксусной кислоты, жиров, сахароподобных веществ — сделали ее попросту ненужной.

Появилось классическое определение К. Шорлеммера, не потерявшее смысла и 100 лет спустя: «Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, то есть продуктов, образующихся при замене водорода другими атомами или группами атомов».

Итак, органика — это химия даже не одного элемента, а лишь одного класса соединений этого элемента. Зато какого класса! Класса, поделившегося не только на группы и подгруппы — на самостоятельные науки. Из органики вышли, от органики отпочковались биохимия, химия синтетических полимеров, химия биологически активных и лекарственных соединений…

Сейчас известны миллионы органических соединений (соединений углерода!) и около ста тысяч соединений всех остальных элементов, вместе взятых.

Общеизвестно, что на углеродной основе построена жизнь. Но почему же именно углерод — одиннадцатый по распространенности на Земле элемент — взял на себя труднейшую задачу быть основой всего живого?

Ответ на этот вопрос неоднозначен. Во-первых, «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде». Во-вторых, углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами. В-третьих, связь атомов углерода между собой, так же как и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и прочих элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов. Поэтому углерод непрерывно круговращается в природе: из атмосферы — в растения, из растений — в животные организмы, из живого — в мертвое, из мертвого — в живое…

Четыре валентности атома углерода — как четыре руки. А если соединились два таких атома, то «рук» становится уже шесть. Или — четыре, если на образование пары затрачено по два электрона (двойная связь). Или — всего две, если связь, как в ацетилене, тройная. Но эти связи (их называют ненасыщенными) подобны бомбе в кармане или джину в бутылке. Они скрыты до поры до времени, но в нужный момент вырываются на волю, чтобы взять свое в бурной, азартной игре химических взаимодействий и превращений. Самые разнообразные конструкции образуются в результате этих «игрищ», если в них участвует углерод. В редакции «Детской энциклопедии» подсчитали, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить 366 319 различных углеводородов, 366 319 веществ состава С20Н42. А если в «игре» не шесть десятков участников, а несколько тысяч; если среди них представители не двух «команд», а, скажем, восьми!

Где углерод, там многообразие. Где углерод, там сложности. И самые разные по молекулярной архитектуре конструкции. Простенькие цепочки, как в бутане CH3—CH2—CH2—CH3 или полиэтилене —CH2—CH2—CH2—CH2——, и разветвленные структуры (простейшая из них — изобутан

кольца с чисто углеродным скелетом (циклопропан, циклогексан, бензол) и те же кольца с «подвесками» (толуол, анилин); кольца, в которые вклинились посторонние атомы — гетероциклические соединения, например тиофен C4H4S, и конгломераты всевозможных колец (самый простой — нафталин, состоящий из двух бензольных колец). И все это структуры простейшие — амебы и инфузории органической химии.

Если продолжать аналогию с живой природой, то где-то на уровне мхов и лишайников окажутся почти все известные сейчас синтетические полимеры, например найлон

или широко применяемая в технике твердая фенол-формальдегидная смола резит

А на вершине усложнения — самые главные для нас полимеры: нуклеиновые кислоты и белки. Очень сложна и в большинстве случаев еще не расшифрована окончательно их структура. И каждое новое достижение в этой области еще и еще раз напоминает не только о могуществе современной науки, но и о необычайной сложности задач, стоящих перед тем, кто пытается постичь смысл жизни на молекулярном и субмолекулярном уровне. Вспомните хотя бы о двойной спирали молекулы ДНК или лабиринтной запутанности четырех цепей молекулы гемоглобина.

Несколько лет назад произошло событие мировой важности: был осуществлен полный химический синтез молекулы белка инсулина.

Это один из простейших по строению, но очень важный для жизни белок. Он ответствен за углеводный обмен в организме.

В молекуле инсулина две цепи, связанные дисульфидным (из двух атомов серы) мостиком. Одна из цепей состоит из 21 аминокислоты, причем внутри нее есть дисульфидное кольцо. В составе другой цепи — 30 аминокислот, также соединенных в строгой последовательности. Синтез первой цепи состоял из 89 этапов-реакций, второй — из 138. Наконец, последней, 228-й ступенью работы было соединение цепей.

Нужно ли говорить, что эта работа потребовала множества труда и времени. А в живой клетке синтез одной молекулы белка (даже намного более сложной, чем молекула инсулина) занимает считанные секунды, а то и доли секунды. Ее темпам можно позавидовать.

Не стоит забывать еще об одной особенности белкового синтеза: сейчас известно более 20 аминокислот — структурных блоков, из которых строится белковая молекула. Общая условная формула всех аминокислот кажется простенькой

Но под значком R могут скрываться различные группы атомов. Лишь в простейшем случае, в молекуле глицина, R — это атом водорода, а к примеру у гистидина R состоит из 11 атомов

Очень важен порядок соединения аминокислот в молекуле белка. Установлено, например, что одна из тяжелых болезней крови происходит из-за того, что только в одном месте молекулы гемоглобина одна из аминокислот замещена другой (глутаминовая кислота — валином).

В молекулах белков — многие тысячи атомов. Там обязательно есть водород, кислород, азот; очень часто — сера. Но основа этих молекул — всегда углерод. И без углерода нет жизни, во всяком случае — на Земле.

Есть, правда, организмы, в которых содержание элемента № 6 всего 0,1%. В ряске, затягивающей стоячий пруд, 2,5% углерода. Зато в более высокоорганизованном колокольчике его уже 10,2%. В организме мыши на долю углерода приходится 10,77%, а кошки — почти вдвое больше, 20,50%. Не это ли обстоятельство легло в основу общеизвестного явления, заключающегося в том, что кошка ловит мышку, а не наоборот?

Но шутки в сторону. Углерод заслуживает вежливого и серьезного отношения. Хотя бы потому что «элементами жизни» иногда называют и калий, и фосфор, и азот. Но если так, то какого определения заслуживает элемент, на основе которого действительно построено все живое?

И ЗДЕСЬ ОДИННАДЦАТЫЙ. По распространенности в земной коре — твердой оболочке на глубине до 16 км и в атмосфере на высоте до 15 км углерод занимает одиннадцатое место. Одиннадцатый он и по распространенности в атмосфере Солнца. А вообще в космосе углерода довольно много. Советские космические станции «Венера-4», «Венера-5» и «Венера-6» установили, что атмосфера утренней звезды состоит преимущественно из углекислого газа. Этот газ преобладает и в атмосфере Марса. А вот в атмосферах Сатурна, Юпитера, Урана и Нептуна наряду с аммиаком доминирует иное соединение углерода — метан. Углерод обнаружен в составе метеоритов и комет. С помощью спектроскопических наблюдений углерод найден и на далеких звездах. В спектрах относительно холодных звезд не раз наблюдались полосы поглощения, характерные для радикалов CH*, CN* и C2*. Не без оснований предполагают, что радикалы CH* и CN* есть в газопылевой среде, заполняющей межзвездное пространство.

ПОМОЩНИК МЕТАЛЛУРГА. Углерод — не металл. Но по некоторым характеристикам, в частности по теплопроводности и электропроводности, графит весьма «металлоподобен». Углерод — не металл, и тем не менее это один из важнейших для металлургии элементов. Именно благодаря ему совершенно непригодное в качестве конструкционного материала мягкое, слабое железо становится чугуном или сталью. В последние десятилетия получили распространение так называемые графитизированные стали, в структуре которых есть свободные микрокристаллы графита. В основном эти стали идут на производство инструмента, коленчатых валов, штампов и поршней, потому что им свойственна большая, чем у иных нелегированных сталей, прочность и твердость.