Из чего всё сделано? Рассказы о веществе - Любовь Николаевна Стрельникова
Химики используют эту подсказку. Если полученное ими вещество — жидкость, то они наливают её в специальный стеклянный сосуд, называемый колбой, вставляют в неё термометр и начинают медленно нагревать, внимательно следя за жидкостью и температурой. Столбик термометра ползет вверх, но с жидкостью до поры до времени ничего не происходит.
На картине Чарльза Мейера Уэбба хорошо видны детали древней химической лаборатории. И хотя инструменты в то время были не бог весть какие, первые попытки экспериментально исследовать вещество заложили начала современной химии
А вот так выглядит современная химическая лаборатория, напичканная самым разным оборудованием. С таким арсеналом химики сегодня тратят гораздо меньше времени на исследование и синтез вещества, чем их древние коллеги
И вот она начинает кипеть, как вода в кастрюле, и постепенно испаряться. Но теперь уже со столбиком термометра ничего не происходит, он стоит как вкопанный на отметке, которая равна температуре кипения жидкости. И если вся жидкость в колбе испарится при этой температуре, значит, у нас было одно-единственное вещество без всяких примесей.
Допустим, мы убедилось, что полученное вещество чистое. Но как оно устроено? Из каких атомов собраны его молекулы и какова их структура? Чтобы ответить на этот вопрос, в прежние времена химики подвергали вещество самым разным испытаниям. Смотрели, в чём оно растворяется, а в чём нет, при какой температуре плавится и кипит, проводит ли ток и притягивается ли магнитом, как взаимодействует с другими веществами и что при этом получается. Сотни экспериментов, десятки реакций и годы работы, чтобы понять структуру молекулы одного-единственного вещества. Не забыли, что на разгадывание, как устроена молекула индиго, Адольф Байер потратил 18 лет? Так вот это далеко от рекорда. На то, чтобы выделить витамин В12 и расшифровать структуру его молекулы, понадобилось 36 лет. Но результат стоил потраченных усилий. Ведь этот витамин очень важен для работы нашего мозга, без него он отказывается понимать умные книги. Кстати, Дороти Ходжкин, которая поняла, как устроена молекула витамина В12, была удостоена за это Нобелевской премии по химии.
Ещё один пример. Великий английский учёный Майкл Фарадей первым выделил и описал знаменитое вещество бензол. Это случилось в 1825 году. Но лишь через 40 лет немецкий химик Фридрих Август Кекуле догадался, как устроена его молекула. А ведь на первый взгляд — ничего сложного, молекула бензола состоит всего из двенадцати атомов, шести атомов углерода и шести атомов водорода.
Сегодня расшифровка структуры неизвестного вещества занимает гораздо меньше времени. Нынешнему химику, пожелавшему установить формулу индиго, не придётся тратить 18 лет, как А. Байеру. Теперь в его распоряжении есть множество самых разных хитроумных приборов, которые помогут быстро решить задачу. Перемещаясь от одного прибора к другому, исследователь для начала установит, что в состав молекулы индиго входят шестнадцать атомов углерода, десять атомов водорода, два — азота и два — кислорода. А затем выяснит, какой узор выложен из этих атомов, в какой последовательности они соединены между собой. И потратит на это не больше недели.
Здорово? Быстро? Да. Вот только этот выигрыш во времени получился за счёт... химии. Ведь в такого рода исследованиях ценность представляет не только конечный результат, но и путь, который прошел учёный.
Адольф Байер, пока бился над структурой индиго, попутно установил строение десятков новых веществ и придумал множество новых реакций, которыми сегодня пользуются все химики. Неудивительно, что он получил Нобелевскую премию по химии — её дают за большой труд.
Играем в шахматы с природой
Вам когда-нибудь приходилось разбирать старый механический будильник на части? Наверняка вы это делали. Интересно же знать, почему ходят стрелки, почему он тикает и звенит. И вообще — как он устроен внутри. Оказывается, сколько же в нем самых разных винтиков, шестерёнок, осей! Даже есть крошечный молоточек, который бьёт по звонкому куполу, когда вы поставили будильник на определённое время, чтобы он разбудил вас.
А удавалось ли вам когда-нибудь решить обратную задачу — собрать из этих деталей тот самый будильник, который вы только что распотрошили? И чтобы при этом ещё и стрелки двигались? Готова поспорить, что нет, если только вам не помогал папа. Потому что разбирать на части гораздо проще, чем собирать. Хоть будильник, хоть дом, хоть молекулу.
Первая мысль, которая приходит в голову любому настоящему химику, только что установившему структуру молекулы неизвестного вещества, очень проста — как её сделать самому? Как повторить природу? Собрать нужное количество разных атомов в колбе и хорошенько встряхнуть, чтобы получилось желаемое вещество, не получится — атомы не существуют сами по себе, они всегда связаны с другими, они живут внутри молекул разнообразных соединений. Значит, надо брать разные вещества и заставлять их взаимодействовать друг с другом. Затем получившееся вещество запускать в реакции с другими. И так, шаг за шагом, приближаться к цели. Ведь мы должны получить вполне определённую молекулу со своим неповторимым узором, где каждый атом стоит на заданном месте в окружении других, строго определённых атомов. Мы должны собрать будильник, который будет работать.
Получение желаемого вещества из других, имеющихся в нашем распоряжении, называют синтезом. Знаменитый американский химик, нобелевский лауреат по химии Роберт Вудворд сравнивал это увлекательное занятие с игрой в шахматы с природой. Химик делает свой ход — проводит реакцию между двумя веществами. Природа отвечает ему, выдавая продукт реакции, порой неожиданный. Химик шевелит мозгами и делает следующий ход — запускает только что полученное вещество в новую реакцию. Природа отвечает... Эта шахматная партия может длиться годами. Случается, она заходит в тупик — химик получает мат. И всё приходится начинать сначала. И снова — десятки и сотни ходов, пока не будет найден кратчайший путь получения того заветного вещества, ради которого и разыгрывалась партия.
В случае с ализарином «партия» длилась 43 года и завершилась в 1869 году. Уже через два года заводы начали производить этот знаменитый красный краситель. Роберт Вудворд приступил к синтезу витамина В12 с очень сложной, большой молекулой в начале 1960-х годов и бился над ним одиннадцать лет, притом что в работе ему помогали швейцарский коллега Альберт Эшенмозер и около ста студентов и аспирантов Гарвардского университета. Оказалось, что кратчайший путь к витамину В12 включает сто различных последовательных реакций! А
