Борис Ляпунов - Химия завтра
Сверхочистка нужна и для целей химического синтеза. Например, техника уже сейчас требует материалов с различными магнитными и электрическими свойствами. Для того чтобы их создать, химики должны дать сверхчистые вещества, ввести в них специальные добавки — столько, сколько требуется, и так, как требуется.
Судьба всех новых способов прямого превращения тепловой энергии в электрическую связана с созданием дешевых полупроводниковых материалов высокой степени чистоты. Один процент примесей — и полупроводник перестает быть полупроводником. А потому «загрязненность» допускается не более миллионной или даже миллиардной доли процента. Иногда требования бывают и еще жестче. И судьба всех проектов, вроде солнечных батарей на крышах домов, либо мощной электростанции на космическом корабле, или внеземной станции, оказывается в руках химиков. Можно было бы уже сейчас устроить домовую солнечную электростанцию на полупроводниках, если бы она не стоила свыше миллиона рублей и не занимала бы огромную площадь.
Когда появятся высокоэкономичные полупроводниковые термобатареи и фотоэлементы, гелиотехника начнет свое победное шествие по нашей планете.
Солнечные батареи разместились бы на крышах зданий, и заводы, животноводческие фермы, дома получили бы дешевый электроток. Для них хватило бы места даже на крышах автомашин.
Быть может, стоило бы занять батареями хотя бы небольшую часть пустынь. Это поможет добыть воду из подземных пресных озер, даст жизнь заводам и городам, возникшим в пустынных районах.
Полупроводниковыми батареями можно было бы покрыть склоны гор и любые другие пространства, где достаточно солнца и которые нельзя никак использовать по-другому. Наконец, и на искусственно созданных в океане островах найдется место для гелиостанций.
И даже если мы не займем солнечными батареями ни пустыни, ни склоны гор, ни поверхность океанов, ни даже Луну — как это иногда предлагают, все равно Солнце даст нам немало для наших повседневных нужд, для того, что зовется «малой» энергетикой.
Повышенные требования к чистоте материалов предъявляют химикам все новые и новые отрасли техники. В будущем эти требования намного расширятся.
Вероятно, самым подходящим местом для получения сверхчистых веществ было бы межзвездное пространство. На Луне и внеземных станциях в будущем разместят химические заводы.
ПОМОЩНИКИ ХИМИКОВ
У химиков есть чудесные ускорители — катализаторы. Не меняясь сами, они заставляют взаимодействовать другие вещества. Если реакция идет недостаточно быстро, они ее ускоряют. Если она идет слишком бурно — замедляют. Правда, тогда это будут «катализаторы наоборот» — ингибиторы.
Размах скоростей различных превращений необычайно широк. Миллионные доли секунды длится взрыв, топливо сгорает за тысячные доли секунды, а ржавчина на влажном железе появляется через несколько часов, И быстрые, и медленные процессы совершаются повседневно и вне нас, и в нас самих. Ибо ведь и человек — «химическая фабрика», перерабатывающая пищу и кислород.
Иногда химия выступает в роли «ускорителя времени». Она изменяет счет на геологических часах, сжимает тысячелетия чуть ли не до мгновения.
Природе потребовались миллиарды лет, чтобы превратить растения в каменный уголь. Современные химики повторили примерно то же самое за восемнадцать дней. Они обработали полуфабрикат, извлеченный из древесных опилок. Результат: бурый уголь. Продолжили опыт, и еще через несколько суток был готов настоящий каменный уголь.
Сама жизнь поставила перед химиками проблему научиться замедлять или ускорять реакции.
Потому и понадобилось найти вещества, способные решить такую задачу.
Впереди — улучшение старых и создание новых химических ускорителей. Надо добиваться более сильного их действия и, что очень важно, при невысоких температурах. Иначе появятся примеси, нужного вещества получится меньше и оно не будет чистым.
Как ни велик выбор, его надо расширять. Разве все возможные реакции уже осуществлены? Разве всегда химическое производство идет самым дешевым и коротким путем? И разве всегда химик, перестраивая молекулы, делает это именно так, как лучше всего? Здесь и должны помочь катализаторы — и старые и новые.
Если бы удалось составить каталог катализаторов, то можно было бы сразу, а не вслепую воспользоваться единственно необходимым.
Катализаторам мы будем обязаны тем, что дешевое сырье — уголь и древесина, известь и вода — даст изобилие синтетики (от каучука и топлива до медикаментов и пластмасс).
Фантасты предлагают чудодейственный катализатор, легко разлагающий воду: водородно-кисло-родное топливо получается без всякого электролиза, самым наипростейшим путем. Автомашины вместо бензина можно заправлять обычной водой. Удобно, не правда ли?
Инженеры строят двигатели на газообразном горючем — уже не прежние газогенераторы, работающие на деревянных чурках. Вместо бензина — аммиак. И, быть может, из воды и воздуха с помощью небольшого ядерного реактора станут получать горючее для автомашин. Особенно удобным это было бы для вездеходов, которые смогли бы заправляться водой из любого водоема. Так химия с помощью атомной энергетики воплотит в жизнь мечту фантастов о превращении воды в топливо.
Новые катализаторы позволят из простых веществ получать сложнейшие. Они помогут брать из воздуха азот, вовлекая его в различные химические соединения, использовать экономично солнечную энергию в фотохимических преобразователях, заставить работать искусственные мышцы. Полимеры — жаростойкие и высокопрочные — тоже окажутся «делом их рук».
И, вероятно, катализаторы будущего позволят найти путь к превращению угля и воды в пищевые и технические жиры, над чем уже долго бьются химики.
Чрезвычайно активные катализаторы помогут преобразовывать солнечную радиацию — и, возможно, не только видимый свет — в другие виды энергии. Появятся фото-и термоэлементы столь совершенные, что они станут промышленными источниками тока. Когда-то их к.п.д. не превышал доли процента, потом он возрос до семи — десяти. Повышение еще в несколько раз вполне реально.
А ингибиторы — замедлители реакций — смогут предотвращать гибель металла от коррозии, старение пластмасс, порчу пищевых продуктов, быть может, даже помогут бороться с лучевой болезнью и злокачественными опухолями.
Очень многому здесь может химия научиться у природы.
Уникальному, идеально налаженному производству, которое существует в клетке, могли бы позавидовать инженеры-химики. То, что на заводах совершается при высоких температурах и давлениях, в ней происходит при комнатной температуре и давлении ровно в одну атмосферу, и притом намного быстрее.
В чем же дело? Да в том, что природа расчленяет химический процесс на многие этапы, и каждый шаг уже не требует столь большой затраты энергии. На каждом этапе работают свои ускорители-ферменты.
Здесь-то и скрыт секрет того совершенства, с каким мы сталкиваемся в живой клетке. Командуют в ней ферменты — достаточно сложно устроенные белковые молекулы.
Эти биологические ускорители заставляют протекать химические реакции в организме в десятки и сотпи тысяч раз быстрее. Именно от них зависит обмен веществ. О необычайной химической активности ферментов говорит такой факт. Под действием воды крахмал превращается в сахар. И ферменты ускоряют эту реакцию в десятки тысяч раз. Иначе пища в желудке переваривалась бы месяцами…
Ферменты — ключи жизни. Ими обладают все существа — от самых простейших и мельчайших до человека. Они есть в растениях, и не будь их — не было бы фотосинтеза. Вот почему академик Н. Д. Зелинский говорил, что ферменты перебрасывают мост между живым и неживым, помогают создавать живое, органическое тело.
Природные ускорители куда сложнее наших искусственных, но зато они и намного энергичнее. Их действие неизмеримо сильнее, чем у тех, которые создаются в лабораториях.
Ферментов известно несколько сот. Однако строение многих из них остается загадкой, и разгадать ее очень важно.
Во-первых, потому, что ферменты не только катализаторы, которые разлагают, обезвреживают вредные вещества, ускоряют окисление веществ полезных, но и переносят атомы или группы атомов от молекулы к молекуле, когда это бывает нужно организму.
Во-вторых, они служат защитниками от неожиданных химических опасностей: стоит появиться в организме яду, как ферменты тотчас начинают его разрушать. И ведь любопытно, что борьба с вредными насекомыми сильно осложнилась благодаря ферментам. В организме насекомых выработались противоядия, и уничтожать насекомых стало куда труднее.
В-третьих, и потому, что среди ферментов есть химические аккумуляторы энергии. Энергия требуется и для создания белков, и для работы мышц, для сохранения постоянной температуры тела — словом, для любого проявления нормальной жизни организма.
