Лев Власов - Занимательно о химии

А нельзя ли обойтись без услуг природы? Может ли человек сам создавать алмазы?

История науки зафиксировала не один десяток попыток получить искусственные алмазы. (Кстати, одним из первых «искателей счастья» был Анри Муассан, выделивший свободный фтор.) Все до единой не имели успеха. Или метод был в корне неверен, или экспериментаторы не располагали аппаратурой, выдерживающей сочетание высочайших температур и давлений.

Только в середине 50-х годов новейшая техника нашла, наконец, ключи к решению проблемы искусственных алмазов. Исходным сырьем, как и следовало ожидать, послужил графит. Его подвергли одновременному воздействию давления в 100 тысяч атмосфер и температуры около 3 тысяч градусов. Теперь алмазы приготовляют во многих странах мира.

Но химикам-то здесь остается только радоваться вместе со всеми. Их роль не так уж велика: основное взяла на себя физика.

Зато химики преуспели в другом. Они существенно помогли усовершенствовать алмаз.

Как так усовершенствовать? Разве может быть что-нибудь идеальнее алмаза? Его кристаллическая структура — само совершенство в мире кристаллов. Именно благодаря идеальному геометрическому расположению атомов углерода в алмазных кристалликах последние так тверды.

Тверже, чем он есть, алмаз не сделаешь. Но можно изготовить вещество тверже алмаза. И химики создали для этого сырье.

Существует химическое соединение бора с азотом — нитрид бора. Внешне оно ничем не примечательно, но одна его особенность настораживает: кристаллическая структура у него такая же, как у графита. «Белый графит» — это название давно закрепилось за нитридом бора. Правда, никто не пытался изготовлять из него карандашных грифелей…

Химики нашли дешевый способ синтеза нитрида бора. Физики подвергли его жестоким испытаниям: сотни тысяч атмосфер, тысячи градусов… Логика их действий была предельно проста. Раз «черный» графит удалось превратить в алмаз, то нельзя ли из «белого» получить вещество, подобное алмазу?

И получили так называемый боразон, который по своей твердости превосходит алмаз. Он оставляет царапины на гладких алмазных гранях. И выдерживает более высокие температуры — просто так боразон не сожжешь.

Боразон пока еще дорог. Предстоит немало хлопот, чтобы он значительно подешевел. Но главное-то уже сделано. Человек снова оказался способнее природы.

…И вот еще одно сообщение, которое недавно пришло из Токио. Японским ученым удалось приготовить вещество, значительно превосходящее алмаз по твердости. Они подвергли силикат магния (соединение, состоящее из магния, кремния и кислорода) давлению в 150 тонн на квадратный сантиметр. По понятным причинам подробности синтеза не афишируются. Новорожденный «король твердости» пока не имеет имени. Но это и не важно. Важнее другое: несомненно, что уже в ближайшее время алмаз, который столетиями возглавлял список самых твердых веществ, окажется в этом списке далеко не на первом месте.

Резина известна каждому. Это мячи и калоши. Это хоккейная шайба и перчатки хирурга. Это, наконец, автомобильные шины и грелки, непромокаемые плащи и водопроводные шланги.

Сейчас резину и изделия из нее получают на сотнях заводов и фабрик. А несколько десятилетий назад во всем мире для изготовления резины пользовались природным каучуком. Слово «каучук» произошло от индейского «као-чао», что значит «слезы гевеи». А гевея — это дерево. Собирая и определенным способом перерабатывая его млечный сок, люди и получали каучук.

Много полезных вещей можно сделать из каучука, да жаль, что добыча его очень трудоемка и растет гевея только в тропиках. И удовлетворить потребности промышленности природным сырьем оказалось невозможным.

Здесь-то и пришла на помощь людям химия. Прежде всего химики задались вопросом: а почему каучук так эластичен? Долго пришлось им исследовать «слезы гевеи», и, наконец, разгадку нашли. Оказалось, что молекулы каучука построены очень своеобразно. Они состоят из большого числа повторяющихся одинаковых звеньев и образуют гигантские цепи. Конечно, такая «длинная» молекула, содержащая около пятнадцати тысяч звеньев, способна изгибаться во всех направлениях, она и обладает эластичностью. Звеном этой цепи оказался углерод, изопрен C5H8, а структурную его формулу можно изобразить так:

Правильнее сказать, что изопрен как бы представляет собой исходный природный мономер. В процессе же полимеризации молекула изопрена несколько изменяется: разрываются двойные связи между атомами углерода. За счет таких освобождающихся связей отдельные звенья соединяются в гигантскую молекулу каучука.

Проблема получения искусственного каучука уже давно волновала ученых и инженеров.

Казалось бы, дело не ахти какое хитрое. Сначала получить изопрен. Потом заставить его полимеризоваться. Связать отдельные изопреновые звенья в длинные и гибкие цепи искусственного каучука.

Казалось одно, оказалось другое. Не без труда химики синтезировали изопрен, а чуть дошло до его полимеризации, каучук не получился. Звенья связывались между собой, но как попало, а не в каком-то определенном порядке. И создавались искусственные продукты, чем-то похожие на каучук, но во многом и отличные от него.

И химикам пришлось изобретать способы заставить изопреновые звенья свиваться в цепь в нужном направлении.

Первый в мире промышленный искусственный каучук был получен в Советском Союзе. Академик Сергей Васильевич Лебедев выбрал для этого другое вещество — бутадиен:

Очень похожее по составу и строению на изопрен, но полимеризацией бутадиена легче управлять.

Сейчас известно довольно большое количество искусственных каучуков (в отличие от натурального их теперь часто называют эластомерами).

Сам природный каучук и изделия из него обладают существенными недостатками. Так, он сильно набухает в маслах и жирах, малостоек к действию многих окислителей, в частности озона, следы которого всегда присутствуют в воздухе. При изготовлении изделий из природного каучука его приходится вулканизовать, то есть подвергать действию высокой температуры в присутствии серы. Именно так превращают каучук в резину или эбонит. При работе изделий из природного каучука (к примеру, автомобильных шин) выделяется значительное количество тепла, что приводит к их старению, быстрому изнашиванию.

Вот почему ученым пришлось позаботиться о создании новых, синтетических каучуков, которые обладали бы более совершенными свойствами. Есть, например, семейство каучуков под названием «буна». Оно происходит от начальных букв двух слов: «бутадиен» и «натрий». (Натрий играет роль катализатора при полимеризации.) Некоторые эластомеры из этого семейства оказались превосходными. Они пошли в основном на изготовление автомобильных покрышек.

Особенно большое значение приобрел так называемый бутилкаучук, который получают совместной полимеризацией изобутилена и изопрена. Во-первых, он оказался самым дешевым. А во-вторых, на него, в отличие от природного каучука, почти не действует озон. Кроме этого, вулканизаты бутилкаучука, который сейчас широко применяется при изготовлении камер, обладают в десять раз большей непроницаемостью для воздуха по сравнению с вулканизатами природного продукта.

Очень своеобразны так называемые полиуретановые каучуки. Обладая высокой прочностью на разрыв и растяжение, они почти не подвержены старению. Из полиуретановых эластомеров готовят так называемый пенистый каучук, пригодный для обивки сидений.

В последнее десятилетие разработаны каучуки, о которых раньше ученые и не помышляли. И прежде всего эластомеры, на основе кремнийорганических и фтороуглеродистых соединений. Эти эластомеры отличаются высокой термостойкостью, вдвое превосходящей термостойкость природного каучука. Они устойчивы к озону, а каучук на основе фтороуглеродистых соединений не боится даже дымящих серной и азотной кислот.

Но и это еще не все. Совсем недавно получены так называемые карбоксилсодержащие каучуки — сополимеры бутадиена и органических кислот. Они оказались исключительно прочными на растяжение.

Можно сказать, что и здесь природа уступила свое первенство материалам, созданным человеком.

Есть в органической химии класс соединений, получивший название углеводородов. Это действительно углеводороды — в их молекулах, кроме атомов углерода и водорода, больше ничего нет. Типичные наиболее известные их представители — метан (он составляет примерно 95 процентов природного газа), а из жидких углеводородов — нефть, из которой получают различные сорта бензинов, смазочных масел и много других ценных продуктов.