Химия

По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются.

— Дмитрий Менделеев

Видеоверсия главы · YouTube

Между атомом и клеткой#

Физика объясняет, из чего состоит мир, биология объясняет, как устроено живое, а между ними лежит наука о том, как из одних веществ получаются другие. Атомы сами по себе ещё не вещи: чтобы появились вода, соль, сталь, хлеб и человеческое тело, атомы должны соединиться, и соединиться определённым образом. Химия изучает эти соединения, их перестройку и энергию, которая при этом выделяется или поглощается. Без неё переход от физики к жизни выглядел бы чудом.

Римский поэт Лукреций в поэме «О природе вещей», пересказывая учение Эпикура, сравнил атомы с буквами. Из одних и тех же букв составляются разные слова, и стоит переставить две из них, как смысл меняется. Так и вещества, по Лукрецию, отличаются не столько тем, из чего сделаны, сколько порядком и сочетанием частиц. Через две тысячи лет химия подтвердила эту догадку с неожиданной точностью: этиловый спирт и диметиловый эфир состоят из одних и тех же атомов в одном и том же количестве, но первый пьют, а второй горит в баллонах, потому что атомы в них соединены в разном порядке.

Хорошо войти в предмет помогает книга «Химия за 30 секунд» под редакцией историка и философа химии Эрика Сцерри. Каждая идея, от атома и связи до катализа и полимеров, изложена там на одном развороте, и из этих коротких статей складывается карта всей науки. Айзек Азимов, сам профессиональный химик с учёной степенью, в «Путеводителе по науке» отводит химии несколько больших глав и рассказывает её историю как цепь вопросов, на каждый из которых кто-то однажды нашёл ответ.

От алхимии к весам#

Химия выросла из алхимии, и родство это не такое постыдное, как принято думать. Алхимики искали философский камень и эликсир бессмертия, но по дороге научились перегонять жидкости, получать кислоты и соли, очищать металлы, построили печи и перегонные кубы. Их ошибка была в методе, а не в старании: они верили, что вещества можно превращать друг в друга, если знать тайное слово, и описывали опыты так, чтобы непосвящённый их не повторил. Наука началась, когда опыт стали описывать так, чтобы его повторил любой.

Роберт Бойль в 1661 году выпустил «Химика-скептика», где потребовал называть элементом только то, что нельзя разложить дальше, и проверять каждое утверждение опытом. Михаил Ломоносов в Петербурге взвешивал металлы, прокалённые в запаянных сосудах, и пришёл к мысли, что материя в реакциях не пропадает и не возникает из ничего. Его «Избранные труды по химии и физике» показывают учёного, который мыслил атомами и движением задолго до того, как это стало общим местом.

Перелом совершил Антуан Лавуазье. Тогдашняя химия объясняла горение выделением особой субстанции, флогистона, которая будто бы уходит из горящего тела. Лавуазье заметил неудобный факт: металлы при прокаливании тяжелеют, а не легчают. Он показал, что горение есть соединение с газом, который выделил из воздуха Джозеф Пристли, и назвал этот газ кислородом. Вместе с коллегами Лавуазье придумал новый язык химии, где название вещества говорит о его составе, и мы до сих пор говорим «сульфат» и «оксид» по их правилам. В его «Элементарном трактате о химии» 1789 года стоял первый современный список элементов, хотя рядом с кислородом и железом там ещё значились свет и теплород.

Работать Лавуазье помогала жена, Мари-Анн Польз, которая переводила для него английские статьи и рисовала приборы для его книг. Деньги на опыты он получал как генеральный откупщик, член компании, собиравшей налоги, и за это в 1794 году революционный трибунал отправил его на гильотину. По известному рассказу, математик Лагранж сказал на следующий день, что отрубить эту голову хватило мгновения, а чтобы появилась другая такая же, может не хватить и сотни лет. Выпуск «Лавуазье. Современная химия» из серии «Наука. Величайшие теории» подробно рассказывает и о его опытах, и о его гибели.

Порядок в элементах#

К середине XIX века химики знали больше шестидесяти элементов и не понимали, есть ли в них система. Джон Дальтон к тому времени убедил коллег, что у атомов каждого элемента свой вес, и элементы можно было выстроить по весу. Но список по весу сам по себе ничего не объяснял: похожие металлы оказывались в нём далеко друг от друга, а совсем непохожие стояли рядом.

Дмитрий Менделеев в 1869 году, работая над учебником «Основы химии», выписал элементы на карточки с весами и свойствами и раскладывал их, как пасьянс. Он увидел, что свойства повторяются через правильные промежутки, и составил таблицу, где похожие элементы встали в один столбец. Сила его подхода была в смелости. Там, где порядок по весу противоречил свойствам, Менделеев доверился свойствам: поставил теллур перед йодом, хотя теллур тяжелее, и решил, что вес измерен неверно. Там, где клетке не находилось элемента, он оставил её пустой и описал, каким должен быть недостающий элемент. Когда предсказанные элементы нашлись, таблицу признали законом природы. Его «Периодический закон» стоит прочитать в первоисточнике: видно, как автор сомневается, проверяет и снова рискует.

Почему теллур всё-таки встал правильно, объяснил в 1913 году молодой английский физик Генри Мозли. Изучая рентгеновские лучи разных элементов, он нашёл, что место в таблице определяется не весом, а зарядом ядра, атомным номером. Мозли через два года погиб в Галлиполи, и его гибель часто приводят как довод против того, чтобы отправлять учёных на передовую. Ещё позже квантовая механика объяснила саму периодичность: электроны заполняют оболочки по очереди, и у элементов одного столбца одинаково устроена внешняя оболочка, которая и вступает в реакции.

Таблица выдержала и сюрпризы. В 1894 году Рэлей и Рамзай нашли в воздухе аргон, газ, который ни с чем не реагировал и не помещался ни в один столбец. Менделеев поначалу встретил его настороженно, но за аргоном последовали гелий, неон, криптон и ксенон, и для этой семьи просто добавили новый столбец. Азимов посвятил им книгу «Благородные газы» (The Noble Gases), а в «Строительных блоках Вселенной» (Building Blocks of the Universe) прошёлся по всей таблице, элемент за элементом. Затем Пьер и Мария Кюри открыли полоний и радий, и выяснилось, что элементы бывают неустойчивыми и сами превращаются в другие. Мечта алхимиков о превращении элементов сбылась, только способом, которого они не могли вообразить.

Как атомы держатся вместе#

Атомы соединяются, потому что так им выгоднее по энергии. Натрий легко отдаёт свой единственный внешний электрон, хлору одного электрона как раз не хватает, и, обменявшись, они становятся заряженными ионами, которые притягиваются друг к другу. Так получается поваренная соль. Два атома водорода, наоборот, ничего не отдают, а делят пару электронов между собой, и эта общая пара держит молекулу. Американский химик Лайнус Полинг описал природу химической связи языком квантовой механики и получил за это Нобелевскую премию, а позже вторую, премию мира, за борьбу против ядерных испытаний.

Александр Бутлеров в Казани в 1861 году сформулировал теорию химического строения: свойства вещества определяются составом и ещё тем, в каком порядке связаны атомы. Это и есть буквы Лукреция, переставленные в слове. Бутлеров объяснил известные факты, а затем предсказал вещества, которых ещё никто не получал, и сам их получил. Через тринадцать лет голландец Якоб Вант-Гофф понял, что четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, и молекулы обрели объём. Отсюда стала понятна загадка, над которой бился Пастер: почему бывают молекулы, одинаковые по строению, но зеркальные, как левая и правая рука. Вант-Гофф получил первую в истории Нобелевскую премию по химии.

Вода и углерод#

Две вещи делают жизнь на Земле химически возможной: вода и углерод. Молекула воды изогнута, и кислород тянет к себе электроны сильнее водорода, поэтому один её край слегка отрицателен, а другой положителен. Соседние молекулы цепляются друг за друга водородными связями, слабыми по отдельности, но многочисленными. Отсюда странности воды. Она кипит при температуре гораздо выше, чем положено такой маленькой молекуле. Она запасает много тепла и смягчает климат у моря. Она растворяет больше веществ, чем почти любая другая жидкость. И лёд в ней плавает: замерзая, молекулы выстраиваются в ажурную решётку, которая занимает больше места, чем жидкость. Если бы лёд тонул, водоёмы промерзали бы до дна, и жизнь в них вряд ли пережила бы первую зиму.

Менделеев много лет изучал растворы, и его книга «Растворы» показывает, что смешение двух жидкостей тоже бывает химией: при смешивании спирта с водой объём получается меньше суммы объёмов, и выделяется тепло. Его докторская диссертация была посвящена соединению спирта с водой, отсюда легенда, будто Менделеев изобрёл сорокаградусную водку. К стандарту крепости его работа отношения не имела, но легенда оказалась живучее многих научных фактов.

Углерод лучше всех элементов умеет строить из самого себя длинные цепи, кольца и разветвлённые каркасы, присоединяя по бокам водород, кислород, азот. Отсюда миллионы органических соединений, больше, чем у всех остальных элементов вместе. Август Кекуле, по собственному позднему рассказу, догадался о кольцевом строении бензола, задремав у камина: ему привиделась змея, схватившая себя за хвост. Историки сомневаются в этом рассказе, а кольцо существует на самом деле. Азимов в книге «Мир углерода» (The World of Carbon) проводит читателя от метана и спирта до красителей и лекарств, показывая, как небольшая перестановка атомов меняет вещество до неузнаваемости.

Реакции, энергия и катализ#

Реакция — перестройка связей: одни рвутся, другие возникают. Если новые связи прочнее старых, разница выделяется теплом, как при горении дров или бензина. Если слабее, энергию надо подводить. Герман Гесс, работавший в Петербурге, в 1840 году установил, что тепло реакции зависит только от начального и конечного состояния, а не от пути между ними. Его «Термохимические исследования» стали основой для расчётов, которыми химики пользуются до сих пор.

Но выгодная реакция не обязательно быстрая. Бумага на воздухе энергетически «хочет» сгореть, однако лежит веками, пока её не подожгут. Молекулам нужно преодолеть барьер, энергию активации, как камню, который надо сначала вкатить на бугор, прежде чем он покатится в яму. Нагрев помогает: Вант-Гофф заметил, что при повышении температуры на десять градусов скорость многих реакций растёт в два-четыре раза. Поэтому продукты дольше хранятся в холодильнике.

Катализатор снижает барьер, не расходуясь сам. Он прокладывает молекулам тоннель через бугор. Платина в автомобильном нейтрализаторе дожигает ядовитые газы, железо в промышленных колоннах соединяет азот с водородом. Живая клетка доводит катализ до совершенства: её катализаторы, ферменты, ускоряют реакции в миллионы раз и выбирают из тысяч молекул только свою, как ключ подходит к своему замку. Азимов в книге «Жизнь и энергия» (Life and Energy) прослеживает этот путь от законов термодинамики до того, как клетка, шаг за шагом, извлекает энергию из глюкозы и запасает её в удобной молекулярной «монете», которую потом тратит на всё остальное.

Хлеб из воздуха и газ над окопами#

Юстус Либих в книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии» 1840 года показал, что растения строят себя из воды, углекислого газа и минеральных веществ почвы, и что урожай ограничен тем веществом, которого не хватает больше всего. Этот закон минимума часто показывают на бочке с досками разной высоты: вода выльется через самую короткую. Самой короткой доской для человечества оказался азот. Его в воздухе почти четыре пятых, но два атома в молекуле держатся тройной связью, одной из самых прочных в химии, и растения не могут им воспользоваться. Селитру возили из Чили через океан, и к 1900 году учёные всерьёз предупреждали, что её запасов не хватит, чтобы прокормить растущее население.

Фриц Габер в 1909 году нашёл способ связать азот воздуха с водородом в аммиак при высоком давлении и с катализатором, а Карл Бош превратил лабораторную установку в завод. Процесс Габера — Боша и сегодня кормит человечество: по оценкам, около половины азота в белках наших тел прошло через его колонны. Азимов рассказывает эту историю в книге «Мир азота» (The World of Nitrogen), и там же видна другая её сторона. Из аммиака делают азотную кислоту, а из неё взрывчатку, и без процесса Габера Германия, отрезанная от чилийской селитры, вряд ли смогла бы вести войну так долго. Сам Габер в 1915 году руководил первой массированной газовой атакой под Ипром. Его жена, химик Клара Иммервар, вскоре застрелилась. В 1918 году Габер получил Нобелевскую премию за синтез аммиака, а через пятнадцать лет, как еврей по происхождению, был вынужден бежать из Германии. В одной биографии уместилась вся двойственность химии.

Ответ на газовую войну тоже дала химия. Николай Зелинский в 1915 году предложил противогаз с активированным углём, который поглощает ядовитые газы гигантской поверхностью своих пор. Его «Избранные труды» напоминают, что он был прежде всего химиком-органиком, а противогаз стал побочным делом, спасшим множество жизней.

Взрывчатка вообще родственница удобрений. Жюль Верн в «Таинственном острове» заставляет инженера Сайреса Смита, оказавшегося с товарищами на необитаемом острове, добыть из местного сырья серную и азотную кислоты, глицерин и в конце концов нитроглицерин. Роман читается как приключение, но по сути это учебник прикладной химии: Верн показывает, что знание, а не готовые вещи, делает человека хозяином обстоятельств.

Яд, лекарство и бокал вина#

Парацельс в XVI веке сформулировал правило, которое токсикологи повторяют до сих пор: всё есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным. Вода в больших количествах убивает, а мышьяк в ничтожных дозах когда-то прописывали как лекарство. Разница между ядом и лекарством часто лежит не в веществе, а в количестве и в том, на какую молекулу в теле оно действует.

Детективная литература любит яды, и лучшие её авторы знали химию не понаслышке. Агата Кристи в обе мировые войны работала в больничной аптеке, и отравления в её романах, например в «Сверкающем цианиде», описаны с точностью фармацевта. Шерлок Холмс в «Этюде в багровых тонах» впервые появляется перед читателем в химической лаборатории, где только что нашёл реактив, позволяющий распознать пятна крови. Азимов написал детектив «Дуновение смерти» (A Whiff of Death), где аспирант погибает в университетской лаборатории от цианистого калия, и расследовать дело приходится его научному руководителю. Азимов знал эту среду изнутри, и университетская кафедра у него узнаваема до мелочей.

Лекарства тоже начинаются с химии, иногда с везения. В 1928 году Александр Флеминг заметил, что плесень, случайно попавшая в чашку с бактериями, убила их вокруг себя. Выделить действующее вещество в пригодном виде удалось только в 1940 году Говарду Флори и Эрнсту Чейну в Оксфорде, и к концу войны пенициллин производили промышленно. Трое разделили Нобелевскую премию 1945 года. Лекарство, которое спасло больше жизней, чем погубили многие войны, оказалось молекулой, которой плесневые грибы, по-видимому, давно защищаются от бактерий, а люди лишь научились её у них брать.

Химию можно найти и в бокале. Брожение, как показал Пастер, есть работа живых дрожжей, превращающих сахар винограда в спирт и углекислый газ. Дженсис Робинсон в «Винном эксперте за 24 часа» учит отличать сорта и стили, читать этикетки и правильно хранить бутылки, и почти каждый её совет имеет химическое объяснение. Кислотность делает вино свежим, дубильные вещества из кожицы и косточек вяжут рот, а открытая бутылка портится, потому что кислород воздуха окисляет вино. Робинсон советует прежде всего нюхать: большую часть того, что мы называем вкусом, мы на самом деле ощущаем носом, улавливая летучие молекулы.

Химия, которая помнит#

Ещё в XIX веке химики научились получать в колбе вещества, которые раньше давала только живая природа. Сергей Лебедев в 1920-х годах разработал способ получения синтетического каучука, и в 1932 году в Ярославле заработал первый в мире завод, выпускавший его в промышленных масштабах. Полимеры, длинные цепи из повторяющихся звеньев, стали материалом нового века: пластики, волокна, резина. И почти одновременно стало ясно, что сама жизнь построена из полимеров.

Ещё в 1869 году, в тот самый год, когда Менделеев раскладывал свои карточки, молодой швейцарский врач Фридрих Мишер выделил из клеточных ядер, взятых с больничных повязок, новое вещество, богатое фосфором. Он назвал его нуклеином. Его «Труды по биохимии» описывают находку, смысл которой стал понятен только через три четверти века: это была ДНК. Белки, которые делают в клетке почти всю работу, оказались цепями из двадцати видов звеньев, а ДНК — цепью из четырёх.

Здесь химия подходит к самому краю своей территории. Молекулы в колбе реагируют, пока не исчерпаются, и на этом всё кончается. Но среди полимеров нашлись такие, которые служат образцом для сборки собственных копий. Реакция, способная повторять саму себя и сохранять в последовательности звеньев память о прошлом, перестаёт быть просто реакцией. Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» спрашивал, как физика и химия могут объяснить устойчивость наследственности. Ответ нашёлся в химической связи, той самой, что держит соль и воду, только выстроенной в очень длинную и очень точную цепь.