Лев Власов - Занимательно о химии

ТЭС — это сокращение. Так называют соединение, для практической деятельности человека полезное чрезвычайно. Оно помогает экономить бензин. Правда, никто еще не подсчитал, сколько именно литров сэкономил ТЭС за всю свою историю. Но, без сомнения, подсчет дал бы весьма внушительное число.

Так что ж в конце концов такое это загадочное ТЭС? Химик скажет: металлоорганическое соединение углеводорода этана с металлическим свинцом. Отнимите у каждой из четырех молекул этана (C2H6) по атому водорода и присоедините углеводородные остатки (этилы — С2Н5) к одному-единственному атому свинца. Вот тогда вы и получите вещество с довольно простой формулой Pb(C2H5)4. Его называют тетраэтилсвинец, а сокращенно ТЭС.

ТЭС — это тяжелая жидкость чуть зеленоватого цвета, с еле уловимым запахом свежих фруктов, но отнюдь не безвредная. Она относится к числу сильных ядов. Сам по себе ТЭС особого интереса не представляет. Вещество как вещество, химику известны куда более любопытные соединения. Но стоит в бак с автомобильным бензином добавить всего полпроцента ТЭСа, как начинаются чудеса.

Сердце автомобиля или самолета — двигатель внутреннего сгорания. Принцип его работы прост. В цилиндре сжимается смесь бензина с воздухом. Затем она воспламеняется с помощью электрической искры. Происходит взрыв, выделяется энергия, а за счет ее и работает двигатель.

Многое зависит от степени сжатия смеси. Чем оно сильнее, тем выше мощность мотора. И тем экономнее расходуется топливо. Это — в идеале. А в действительности смесь не может сжаться достаточно сильно. Отсюда возникают «заболевания» двигателя: неполное, неравномерное сгорание топлива приводит к перегреву двигателя, к быстрому изнашиванию его деталей. Да и расход бензина неоправданно возрастает.

Инженеры вносили в конструкцию двигателей всевозможные улучшения, химики старались изготовить более чистые сорта бензина. «Заболевание» в какой-то мере поддавалось излечению, но не до конца. Моторы продолжали «стучать» и перегреваться; неравномерные взрывы смеси (детонация) укорачивали сроки их службы.

В результате долгих размышлений ученые пришли к выводу: детонацию можно подавить, заставить смесь сгорать равномерно, но сделать это удастся, лишь изменив каким-то путем свойства самого топлива.

Каким?

Ответ на этот вопрос упорно искал американский инженер Томас Миджли. Сначала он предложил совершенно неожиданный выход из положения: бензин надо… окрасить в красный цвет. Тогда топливо приобретет способность поглощать больше тепла, станет более летучим. И смесь бензина с воздухом удастся сжать сильнее.

Миджли «окрасил» бензин, добавив к нему немного йода. И, о радость, бензин действительно стал детонировать меньше. Но стоило исследователю вместо йода употребить обычную краску, как двигатель снова оказался во власти прежних бед.

Стало быть, цвет здесь ни при чем. Однако огорчение Миджли оказалось кратковременным. Его осенила блестящая мысль: вероятно, существуют вещества, ничтожные добавки которых существенно повышают качество бензина.

Йод делал это лишь в слабой степени. Нужно было искать другие вещества, простые и сложные. Ученые испробовали десятки и сотни соединений. Практики и теоретики работали бок о бок. Теоретики, наконец, пришли к очень важному заключению. Вещества-антидетонаторы следует искать среди соединений элементов с большим атомным весом. Например, стоит испытать соединения свинца.

Но как ввести свинец в бензин? Ни сам металл, ни его соли в бензине нерастворимы. Существует один-единственный способ: взять какое-нибудь органическое соединение свинца.

Тогда-то и было произнесено впервые слово «тетраэтилсвинец», ТЭС. Это случилось в 1921 году.

Добавки (и притом ничтожные) ТЭСа к бензину действительно оказались чудесными. Качество горючего резко улучшилось. Смесь бензина с воздухом удалось сжать в два раза сильнее. А это означало, что при той же скорости машины расход бензина сократился вдвое. «Сердца» автомобилей и самолетов стали работать без перебоев.

А вот любопытная экономическая справка: мировое производство ТЭСа ныне столь велико, что создается угроза довольно быстрого исчерпания естественных ресурсов свинца.

У ТЭСа есть одно неприятное качество — высокая токсичность. Вы, вероятно, видели на баках многих грузовых автомобилей предостерегающую надпись: «Этилированный бензин — яд!» С бензином, содержащим ТЭС, нужно обращаться очень осторожно.

ТЭС — пионер среди антидетонаторов топлива. Он остался важнейшим среди них и в настоящее время. Но ученые серьезно подумывают о его замене другим веществом, столь же эффективным, но совершенно безвредным.

Одно из них уже найдено. Его именуют ЦТМ. Если хотите узнать, что это такое, прочтите следующий рассказ.

Металлоорганических соединений в наши дни известно очень много: одним десятком тысяч здесь уже не ограничишься. Но лет пятнадцать назад в металлоорганике существовал досадный провал. Химикам никак не удавалось включить в органические молекулы так называемые переходные металлы. Металлы, которые в периодической системе Менделеева располагаются в побочных подгруппах. А таких металлов без малого пять десятков. Если и доводилось химикам получать их органические соединения, то они оказывались чрезвычайно непрочными, эдакой «металлоорганической экзотикой».

В 1951 году вмешался в дело (как это не раз бывало в истории науки) Его Величество Случай. Английский химик Паусон дал задание своему студенту Кили. Нельзя сказать, чтобы задание было таким уж сложным. Кили надлежало синтезировать углеводород с довольно длинным названием: дициклопентадиенил. Для этого требовалось спарить два пятичленных углеродных цикла. Иными словами, из двух соединений с формулой С5Н5 получить одно: С10Н8 (предполагалось, что 2 атома водорода должны отщепиться).

Кили знал, что такая реакция пойдет только в присутствии катализатора, и выбрал хлористое железо.

В одно прекрасное утро Паусон и Кили от удивления развели руками. Продуктом реакции оказалась не бесцветная жидкость, а красивые оранжевые кристаллы, притом весьма стойкие. Они выдерживали нагревание почти до 500 градусов — дело в органике далеко не столь уж частое.

Но удивление учителя и ученика возросло еще боле, когда таинственные кристаллы подвергли химическому анализу. Действительно, было чему поражаться: кристаллы содержали углерод, водород и… железо. Типичный переходный металл железо «запросто» объединился с типичными органическими веществами.

И формула этого железоорганического соединения оказалась необычной:

Оба кольца (циклопентадиены) — правильные плоские пятиугольники. Они словно два ломтя хлеба, между которыми вложена «закуска» — атом железа. Такого рода соединения называют «Сандвичевыми» (так как их строение напоминает английский сандвич).

Ферроцен (это имя дали нашему железоорганическому соединению) стал первым представителем семейства «сандвичевых».

Строение ферроцена мы для простоты изобразили сугубо схематично в одной плоскости; в действительности же его молекула имеет более сложную пространственную структуру.

Синтез ферроцена оказался одной из крупнейших сенсаций в современной химии. И теоретикам и практикам пришлось пересмотреть многие считавшиеся незыблемыми представления о возможностях металлоорганики.

Ферроцен родился в 1951 году. Ныне же таких «ценов» несколько десятков. «Сандвичевые» соединения получены почти для всех переходных металлов.

Пока они представляют интерес для химиков-теоретиков. Что до практического использования, здесь еще много неясного. Однако…

Тут-то и наступает очередь познакомиться с ЦТМ.

Полное название этого вещества очень длинное, но легко запоминается, потому что звучит наподобие детской считалки:

Циклопентодиенил —Марганецтрикарбонил.

И строение его молекулы нетрудно изобразить:

Просто вместо другого «куска хлеба» (циклопентадиенильного кольца) «закуска» (атом марганца) связана с тремя молекулами окиси углерода.

ЦТМ — прекрасный антидетонатор. Лучше нашего старого знакомца ТЭСа. И по своим рабочим характеристикам и потому еще, что почти безвреден. Он проходит всестороннюю практическую проверку. Уже мчатся грузовики с буквами ЦТМ на бензобаках.

Полная замена ТЭСа на ЦТМ, как подсчитали экономисты, может дать годовую экономию в 3 миллиарда рублей. Но это не самый главный выигрыш — здоровее и чище станет воздух наших городов.