«Старую» химию создавали десятки поколений химиков. Новая химия будет создана значительно быстрее. Немалая роль в оформлении этой науки принадлежит следующему поколению ученых — сегодняшним школьникам. Но, чтобы взять эту одну из очередных вершин современной науки, надо быть хорошо подготовленным. Альпинист, собирающийся покорить неизведанный горный пик, запасается самым разнообразным и добротным снаряжением. Для вас, будущие покорители вершины «Новая химия», таким снаряжением являются те сведения по химии, которые уже накопило человечество.
Мал золотник…
Рассказываю я о свойствах сверхчистых веществ уже довольно много, примеров привел порядком, даже несколько нравоучений успел прочесть, но вопрос, каким образом ничтожные примеси к основному веществу могут так разительно влиять на свойства этого вещества, остался вопросом.
Для ответа на него можно было бы привести немало соображений и догадок. Но самый правильный ответ пока будет все же такой: «Неизвестно». Оказывается, есть еще в современной химии такие вещи, о которых ничего не знают даже самые сведущие в этой области специалисты.
Впрочем, узкие тропинки, которые ведут пока еще к затерянному в лесу вопросов дворцу разгадки, могут осветить следующие соображения. По всей видимости, в химических и физических свойствах вещества громадную роль играет однородность или неоднородность химического состава.
Электроны при передаче тока через металлы бегут не как попало. Они передвигаются по цепочкам атомов, из которых состоит кристаллическая решетка металлов. Это представление еще не объясняет, каким образом один атом примеси на миллиарды атомов основного вещества способен изменить свойства металла, но позволяет догадываться. В самом деле, линия телефонной связи между Москвой и, скажем, Владивостоком имеет протяженность около десяти тысяч километров. Но достаточно где-то на протяжении этих десяти тысяч километров вырезать кусочек провода в один миллиметр, как связь тотчас же прекратится. Атомы посторонних элементов действуют подобно разрывам в линиях связи.
Представьте себе, что в метро в часы пик среди потока людей остановится какой-нибудь ротозей и станет рассматривать мозаичный потолок или читать книгу. Нормальное движение людей сразу нарушится. На беднягу посыплются замечания, и в конце концов его попросит пройти дежурный контролер. Но электроны не имеют голосов. Встретив на своем пути чужие атомы, которые не желают проводить электроны, они вынуждены сворачивать с пути. И тут в роли контролеров выступают химики. Очищая вещество, они освобождают его от атомов-чужаков и тем самым облегчают передвижение электронов. Вот почему сверхчистые металлы проводят электрический ток во много раз лучше, чем их «грязные» собратья.
Итак, худо ли, хорошо ли, но влияние ничтожных примесей на физические свойства металлов еще можно объяснить. Ну, а как в отношении химических свойств?
Когда мы кладем обычный — чистый 99,9–99,99 % — цинк в кислоту, то сейчас же начинается выделение водорода. Попробуем разобраться, как происходит растворение цинка в кислотах.
Увеличим мысленно поверхность растворяющегося цинка в миллиарды раз, так чтобы стали видны отдельные атомы, составляющие решетку цинка. Среди атомов цинка вы заметите сравнительно часто попадающиеся атомы примесей. Около них кристаллическая решетка деформирована, вздыблена. И тут же вы обратите внимание на то, что молекулы кислоты отрывают атомы цинка именно в тех местах, где произошло нарушение однородности кристаллической решетки из-за соседства с атомами примесей. Таким образом, присутствие примесей создает особенно благоприятные условия для протекания реакции.
А если вещество очень чистое и состав его можно считать однородным? Что происходит тогда?
Тут уместно привести одно сравнение. Впрочем, пользуясь сравнениями, надо всегда помнить хорошую немецкую поговорку: «Всякое сравнение хромает».
Знает ли читатель притчу о Буридановом осле? Выдумал этого осла французский схоласт Иоанн Буридан. Он утверждал, что если голодного осла поставить между двумя совершенно одинаковыми связками сена и на равном расстоянии от них, то осел в конце концов умрет с голоду, не чная, какую из связок ему предпочесть.
Я бы не вспоминал об этом малоудачном примере средневекового схоласта, если бы явление, происходящее при погружении сверхчистого цинка в кислоту, несколько не напоминало Буриданова осла. Имея перед собой совершенно однородную (в химическом смысле) поверхность, молекулы кислоты «не знают», с какого места начать разрушать кристаллическую решетку цинка. Так же альпинист, который намерен взобраться на совершенно отвесную скалу, должен сначала найти в ней какую-нибудь трещину или выступ, за которые бы он мог зацепиться. И вот такой-то трещины на поверхности сверхчистых веществ нет. Именно поэтому сверхчистые вещества являются очень инертными в химическом отношении.
По-видимому, идеально чистые вещества вообще не могут вступать во взаимодействие друг с другом. Хорошо известен следующий пример.
Хлор и водород активно взаимодействуют друг с другом. Если смешать эти два газа при свете, то тотчас же происходит сильный взрыв. В темноте реакция идет несколько медленнее. Но если оба газа тщательно высушить (многократным пропусканием через фосфорный ангидрид), то после смешения никакой реакции не произойдет даже на ярком солнечном свету!
Вот уравнение реакции взаимодействия водорода и хлора:
Скажите, пожалуйста: при чем здесь вода? Ее не видно ни справа, ни слева. Но тем не менее без воды реакция не идет. По всей видимости, и здесь играет значительную роль нарушение химической неоднородности.
Мир бесконечно малых
Не случайно так подробно было рассказано здесь о свойствах сверхчистых веществ. Эта проблема с каждым днем все настойчивее и настойчивее выходит на передний край науки и техники.
Более того, ничтожно малые примеси играют громадную роль не только в химии, но и во многих других науках.
И именно сейчас будет уместно вернуться к тем историям, которые я, на первый взгляд, вне всякой связи с последующим повествованием, рассказал в начале этого очерка. Это истории о монахе-целителе Ионе и киевском журналисте Николае Карлышеве.
Начать с того, что целебная вода была изобретением вовсе не монаха Ионы, который, кстати, на проверку оказался продувным мошенником. Под видом «святой воды» еще в древности монастыри продавали воду, настоенную на серебряных монетах или каких-нибудь других предметах, изготовленных из серебра.
При настаивании в воду переходит совершенно ничтожное количество серебра — одна миллиардная доля грамма на один литр воды. А это мало, очень мало! Миллиард литров такого раствора надо было бы взять, чтобы выделить один грамм серебра. Миллиард литров, миллион тонн воды!
Однако такого ничтожного количества серебра вполне достаточно, чтобы оказать губительное действие на многие бактерии. Это свойство серебра, кстати, несознательно использовалось людьми еще давно. Вот почему серебряная посуда так ценилась в древности: пища, приготовленная в ней, выгодно отличается от какой-либо другой. И вот почему монах Иона, изготовляя лекарство, хорошо известное сейчас фармацевтам под именем «серебряной воды», менее всего прибегал к поддержке «слова святого» и если уж уповал на что-нибудь, так это только на содержимое карманов своих легковерных пациентов.
Вот мы оперируем сейчас величинами: одна миллиардная, одна десятимиллиардная. Зная по собственному опыту, с каким трудом дается физическое, «вещественное» представление о таких ничтожных величинах, я еще раз позволю себе прибегнуть к сравнению. Итак, что такое миллиардная доля грамма?
Предположим, нам удалось один кусочек сахара-рафинада, который весит 10 граммов, распределить поровну между всеми жителями нашей планеты. Сколько тогда бы пришлось на долю каждого из нас? Некоторые из читателей, пожав плечами, заметят, что, возможно, пришлось бы пс три-четыре молекулы на человека, а вернее всего, и того меньше. Впрочем, так, по всей видимости, скажут немногие. Потому что всем известно число людей на земном шаре: около трех миллиардов. Если поделить вес кусочка сахара на это число, то получается 4∙10–9 — четыре миллиардных доли грамма. Это в четыре раза больше того количества серебра, которое содержится в литре серебряной воды.
Но тем не менее химики нашли способ обнаруживать и такие ничтожные количества серебра. На одном из совещаний демонстрировали такой опыт. Взяли стакан воды и несколько минут перемешивали воду серебряной ложечкой. Затем в эту воду капнули несколько капель специального органического реактива. Вода сразу стала заметно красной. Этот же реактив, прибавленный к воде, которая не соприкасалась с серебряными предметами, никакой окраски не вызывал.
В области сверхмалых количеств веществ еще более удивительные примеры доставляет нам биология.
Сейчас доказано, что в росте клеток растений деятельное участие принимает вещество ауксин. Если с помощью шприца ввести ауксин в стебель растения, то в этом месте начинается настолько интенсивный рост клеток, что стебель даже искривляется.
За единицу ауксина принимают такое его количество, которое дает отклонение стебля овса на десять градусов. В граммах эта единица составляет 2·10–11, или две стомиллиардных доли грамма. Это уже предельно малая величина…
Впрочем, нет необходимости обращаться к ауксину. Примеры регистрации ничтожных количеств веществ дает нам наше собственное обоняние.
Многие, очевидно, слышали запах газа, который теперь проведен в квартиры десятков городов нашей страны. Это газ метан. Но любой химик скажет вам, что метан не обладает никаким запахом. Тот запах, который мы ощущаем, если открыть горелку газовой плиты, принадлежит другому газу — меркаптану. Меркаптан специально примешивают к метану, с тем чтобы люди могли замечать утечку газа. Так вот, человек может обнаружить наличие меркаптана в воздухе, даже если одна часть его приходится на пять миллиардов частей воздуха. Иными словами, если бы кто-нибудь, скажем, в Киеве случайно выпустил в воздух сто кубических метров меркаптана, то через несколько часов в Москве на всех улицах ходили бы недоумевающие люди: откуда, мол, утекает газ и почему бездействуют аварийные газовые команды?