Илья Леенсон - Удивительная химия

Доподлинно известно, что в благоприятных условиях возможно соединение в определенном порядке многих тысяч атомов, при этом образуются такие сложные образования, как молекулы белков, молекулы наследственности ДНК, содержащие десятки тысяч атомов.

Полагают, что Солнечная система образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. За это время и возникло окружающее нас богатейшее разнообразие неорганических и органических соединений. И все они образовались из химических элементов, уже имевшихся в Солнечной системе в момент ее образования. Процесс образования сложных соединений из отдельных атомов и простейших молекул называют «химической эволюцией». В этом процессе, который длился миллиарды лет, еще много «белых пятен», в частности — как из простых молекул возникли сложные, состоящие из многих тысяч атомов; как эти сложные молекулы дали начало простейшим живым существам; наконец, как шло последующее развитие — от простейших одноклеточных микроорганизмов до высших животных и «венца природы» — мыслящего человека.

КАК РАБОТАЮТ ХИМИКИ

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 SI — от французского Systeme International d’Unites — Международная система единиц, так что говорить «система СИ» не совсем правильно: получается «система системы»). Оговорка «в большей или меньше степени» необходима потому, что единицей объема в СИ служит кубический метр или его дольные единицы — кубический дециметр и кубический сантиметр. Химики же привыкли использовать для этой цели литры и миллилитры (по правде говоря, 1 дм3 и 1 л практически не различаются). Вместо единицы энергии джоуль химики по старинке еще продолжают использовать калории. Но вот дюймы вместо сантиметров или фунты и унции вместо килограммов и граммов в химических работах уже не встретишь.

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.

Работа современного химика немыслима без множества различных измерений. Одним из самых важных измерений всегда считалось взвешивание. Это одна из наиболее распространенных операций в химии. Поэтому уже в первых химических лабораториях можно найти весы (рис. 2.1).

Весы были изобретены так давно, что еще в античные времена люди почитали их дарами богов. При раскопках древнего Вавилона археологи не раз находили каменные изделия правильной геометрической формы; иногда они напоминали фигурки животных. Оказалось, что это древние гири, которым больше 4,5 тысяч лет! На каждой гире указан ее вес. Единицей измерения у вавилонян служила довольно увесистая гиря массой (в современных единицах) около 0,5 кг. Эта единица называлась малой миной, она просуществовала несколько тысяч лет. Другие гири были еще тяжелее. С их помощью взвешивали зерно и другую сельскохозяйственную продукцию.

В Древнем Риме единица массы называлась либрой (или фунтом — от латинского слова pondus — «вес, тяжесть, гиря»). Римский фунт был равен (в современных единицах) 327,45 г. Во времена Карла Великого (IХвек) фунт «потяжелел» до 408 г. Раздробленность средневековой Европы привела к тому, что чуть ли не в каждом королевстве, княжестве был свой фунт — а то и не один. Достаточно сказать, что к концу XVIII века в разных странах применялись сотни различных фунтов! Например, в старинном французском фунте было 489,5 г, в голландском — 492,2 г, в немецком (ганноверском) — 489,6 г. Вот и приходилось, например, в России официально устанавливать, что английский фунт = 1 русскому фунту 13 золотникам 44 долям, лондонский фунт = 1 русскому фунту 9 золотникам 51 доле, амстердамский фунт = 1 русскому фунту 19 золотникам 33 долям и т. д. и т. п. Отметим, что русский фунт, равный 409,51 г, полностью соответствовал двум старинным новгородским серебряным гривнам; он делился на 96 золотников, а в I золотнике было 96.долей (эти меры можно встретить в надписях на «царских» золотых и серебряных монетах, а также на серебряных полтинниках и рублях, датированных 1921–1927 годами). Вплоть до XX века в Бельгии, Венгрии, Германии, Дании, Голландии, Франции и в некоторых других странах применяли метрический фунт — ровно 500 г.

Трудно даже представить, каково было когда-то торговцам (а также химикам), вынужденным каждый раз проводить пересчет из одной системы единиц в другую. В США до сих пор широко пользуются фунтом, который, правда, немного полегче старых европейских, но тяжелее русского: в нем 453,59 г. В Великобритании, в которой особенно крепки традиции, до сих пор для разных целей пользуются «разными фунтами»: так называемым торговым (коммерческим) — 453,59 г, аптекарским и тройским — в обоих по 373,24 г. Аптекарские меры отличаются от тройских тем, что в них есть драхмы и скрупулы, а в тройских — караты, в которых выражают массу драгоценных металлов и камней. Кстати, слово «тройский» не имеет никакого отношения к Древней Трое; это название произошло от французского города Труа (по-французски Troyes), где в Средние века проходили торговые ярмарки.

Разные меры, применяемые при взвешивании товаров разного типа, привели к забавной старинной задаче: «Что весит больше: фунт золота или фунт пуха?» Оказывается, школьники разных стран должны решать ее по-разному! Самый простой ответ (его дал Оська, один из героев книги Льва Кассиля «Кондуит и Швамбрания») звучит так: «Фунт фунтом и будет!», т. е. фунт золота и фунт пуха весят одинаково. А вот школьники англоязычных стран должны отвечать иначе: «Фунт пуха весит больше!» Почему так? Да потому, что в этих странах пух (как и другие товары) взвешивают с использованием английской торговой (коммерческой) системы мер — «эвердьюпойс» (avoirdupois — это странное словечко произошло от старинного французского выражения, означающего «товары на вес»), в которой 1 фунт = 453,59 г. Золото же (а также другие благородные металлы, драгоценные камни и лекарства) принято взвешивать по другой системе мер — монетной (тройской) и аптекарской, в которой 1 фунт = 373,24 г. Понятно, что пух взвешивали (а кое-где и сейчас взвешивают) в торговых фунтах, а золото — в тройских, и потому фунт пуха весит больше. Кстати, в XIX веке гагачий пух — а он самый теплый — продавали по 6–7 рублей за фунт; это были большие деньги, так что позволить себе спать на гагачьей перине могли только исключительно богатые люди…