Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена
А аморфный углерод — это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь — его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.
Мячи и плоскости
В 1985 году химики сделали потрясающее открытие: была обнаружена принципиально новая модификация углерода — фуллерен. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и нашли в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С60 представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников — точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С70 в середину «мяча» врезан пояс из 10 атомов углерода — такая молекула напоминает удлиненный мяч для регби. Эти молекулы первооткрыватели назвали бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который строил здания именно из подобных структурных элементов — шести- и пятиугольников. Вскоре, впрочем, название сократили до фуллеренов. Через 11 лет после открытия ученые получили Нобелевскую премию по химии, и все эти годы обнаружились все новые и новые фуллерены.
Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.
Как мы уже говорили, простейший фуллерен С60 в точности похож на футбольный мяч, а следующий С70 — уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый «мяч», то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.
Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.
И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода — одномерные пленки под названием «графен». Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта «Наполеон», один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.
Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.
В этой книге рассказывается не просто об интересных химических веществах и реакциях, но и об открывших эти вещества ученых. Поэтому, рассказывая про Гейма, Новосёлова и графен, нельзя не вспомнить их коллегу физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное — лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области, начал выращивать коз и ныне совершенно счастлив. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми — им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме. И собирается выучиться на краснодеревщика.
А Гейм и Новосёлов уехали за границу, работают в одном из крупных научных центров Великобритании. Ну что ж, это нормально, ученый и должен жить там, где ему предоставляются наилучшие условия для работы. И это далеко не первый случай. Кстати, касающийся именно Великобритании. Речь идет о великом русском химике Владимире Николаевиче Ипатьеве и «битве за Англию». Об этом — в главе 11, а сейчас расскажем о химике, который первым сообразил, как именно образуются цепочки углерода, как устроены органические вещества и почему вещества с одним и тем же количеством атомов, и не только углерода, проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства.
Структура Бутлерова
Александр Михайлович Бутлеров родился в 1828 году, учился в Казанском университете, после отъезда Карла Клауса в город Дерпт (о Карле Карловиче — в главе 14) возглавил преподавательский корпус химии в Казанском университете и в 1861 году впервые огласил на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей свою теорию строения органических соединений. Сейчас ее положения показались бы очевидными, однако, как ни странно, до Бутлерова ученых как-то мало занимал хорошо известный сегодня факт, что химические и физические свойства любого индивидуального вещества зависят не только от его состава, то есть количества тех или иных атомов, но и от того, в каком порядке «собрана» молекула вещества из этих атомов, — то есть от строения молекулы. А как же иначе, спросите вы? А вот так: до Бутлерова вещество (точнее, молекулу вещества) считали этаким мешком, в который насыпали столько-то атомов углерода, столько-то азота, столько-то кислорода и так далее. Мешок потрясли и получили вещество.
Хотя само явление изомерии было обнаружено еще Юстасом Либихом в 1823 году, но не в случае органических веществ, а при изучении серебряных солей гремучей и изоциановой кислот. Либих сумел выяснить, что гремучее серебро Ag-O-N=C (или фульминат серебра) и изоцианат серебра Ag-N=C=O имеют одинаковый состав и совершенно различные свойства. Правда, написать формулы таким образом он не мог, в те времена еще не существовало методов установления химического строения, да не было и самих формул с использованием «черточек», обозначающих химические связи. Просто Либих получил гремучее серебро и изоцианат серебра в результате реакций с использованием различных соединений, но выделил два продукта одинакового, как теперь говорят, брутто-состава. Через несколько лет после Либиха сам великий Берцелиус ввел понятие изомерии (от греческого слова, означающего «равнодольные»).
И только Бутлеров сумел разобраться в этом вопросе и объяснил явление изомерии, пояснить которое проще всего на примере углеводорода бутана.
Углеводороды, соединения только атомов углерода и водорода, имеют главную и побочную цепь связанных между собой атомов углерода начиная от простейшего метана СН4. Затем следует этан С2Н6, за ним пропан С3Н8, бутан С4Н10 и так далее, вплоть до углеводородов с числом атомов углерода 100 и более. Да, кстати, здесь речь идет о предельных углеводородах, в которых все связи углерод-углерод одинарные. Так вот, формулу пропана можно записать только так: СН3-СН2-СН3, у пропана изомеров нет. А вот у бутана C4H10 уже два изомера: СН3-СН2-СН2-СН3 (линейный изомер) и СН3-СН2(СН3) — СН3. Скобка означает, что метильная группа СН3, как ветка у дерева, направлена в сторону от главной цепи — это разветвленный изомер. То есть изомеры имеют одинаковый состав, но разное строение и соответственно разные химические и физические свойства. Например, тот же линейный изомер бутана (нормальный, н-бутан) имеет температуру плавления -138 °C, а его изомер изо-бутан плавится при -160 °C.
Лучшим доказательством справедливости любой теории, хоть химической, хоть в области общественных явлений, является правильное предсказание. Справедливость структурной теории Бутлерова была доказана еще им самим, когда он предсказал существование четырех различных изомеров бутилового спирта (бутанола), различающихся по своим физическим и химическим свойствам. Ко времени создания теории был известен лишь один бутанол: (CH3)2CHCH2OH. А Бутлеров предсказал и написал формулы еще трех бутанолов: CH3CH2CH2CHOH, CH2CH(CH3)CHOH и (CH3)3COH. Вскоре эти изомеры были синтезированы, и теория блестяще подтвердилась.
