Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Охота за веществом

Природа — величайший творец, которому пока нет равных. Она создала самое необыкновенное вещество — воду, благодаря которой появилась жизнь. Она создала мир запахов, красок и удивительных природных материалов, без которых невозможно представить этот мир. Природа ничего не делает зря. Всё, что она создаёт, необходимо для жизни. А значит — может быть полезно людям. Химики учатся у природы, стараются открыть её секреты и не только повторить, но даже и превзойти своего учителя. И это потрясающе интересно, хотя и непросто.

С чего начинается работа химика, как, впрочем, и любого другого исследователя? С вопроса. «Почему лепестки этого цветка красные?» — спрашивает себя химик и придумывает, как ответить на этот вопрос. То есть придумывает схему эксперимента. Первое, что надо сделать, — это выделить из лепестков то самое вещество, которое окрашивает цветок в красный цвет. И эта задача сама по себе невероятно сложна. Ведь в цветке содержится тысяча разных веществ! А надо выделить всего одно, а может быть, несколько.

К каким только ухищрениям не прибегают химики! Измельчают лепестки, а потом из получившейся массы вытягивают вещества, растворяя их в воде, а чаще — в каких-нибудь других веществах-растворителях, например в спирте или бензоле. Если раствор получился красный, значит, в него наверняка перешли красящие вещества, за которыми мы охотимся.

Но теперь вещества надо извлечь из раствора. И не просто извлечь, а очистить их, чтобы в руках оказалось совершенно чистое, индивидуальное соединение. Здесь химики чего только не делают! Фильтруют, выпаривают, растворяют остаток в горячем растворителе и вновь осаждают при охлаждении (химики называют этот перекристаллизацией), разделяют вещества на специальных приборах, называемых хроматографами, и многое-многое другое.

Наконец, тёмно-вишневые кристаллики неизвестного вещества у нас в руках. Хотя, это может быть и густая бордовая жидкость. А знаете, как проще всего убедиться в том, что это чистое вещество, а не смесь? Вот вам подсказка.

У каждого вещества, как и у людей, есть свои индивидуальные свойства. Мы отличаемся друг от друга неповторимым узором ушной раковины, рисунком радужной оболочки глаза или узором кожи на кончиках пальцев и на ладонях. Недаром криминалисты так любят отпечатки пальцев. Какие же индивидуальные черты есть у вещества? Например — температура плавления или кипения, измеренная с высокой точностью. Вода, например, кипит ровно при 100 градусах, а спирт — при 78,4 градуса, лёд плавится ровно при нуле градусов, а стеариновая кислота, из которой в основном состоят свечи, при 69,6 градуса.

Химики используют эту подсказку. Если полученное ими вещество — жидкость, то они наливают её в специальный стеклянный сосуд, называемый колбой, вставляют в неё термометр и начинают медленно нагревать, внимательно следя за жидкостью и температурой. Столбик термометра ползет вверх, но с жидкостью до поры до времени ничего не происходит.

На картине Чарльза Мейера Уэбба хорошо видны детали древней химической лаборатории. И хотя инструменты в то время были не бог весть какие, первые попытки экспериментально исследовать вещество заложили начала современной химии

А вот так выглядит современная химическая лаборатория, напичканная самым разным оборудованием. С таким арсеналом химики сегодня тратят гораздо меньше времени на исследование и синтез вещества, чем их древние коллеги

И вот она начинает кипеть, как вода в кастрюле, и постепенно испаряться. Но теперь уже со столбиком термометра ничего не происходит, он стоит как вкопанный на отметке, которая равна температуре кипения жидкости. И если вся жидкость в колбе испарится при этой температуре, значит, у нас было одно-единственное вещество без всяких примесей.

Допустим, мы убедилось, что полученное вещество чистое. Но как оно устроено? Из каких атомов собраны его молекулы и какова их структура? Чтобы ответить на этот вопрос, в прежние времена химики подвергали вещество самым разным испытаниям. Смотрели, в чём оно растворяется, а в чём нет, при какой температуре плавится и кипит, проводит ли ток и притягивается ли магнитом, как взаимодействует с другими веществами и что при этом получается. Сотни экспериментов, десятки реакций и годы работы, чтобы понять структуру молекулы одного-единственного вещества. Не забыли, что на разгадывание, как устроена молекула индиго, Адольф Байер потратил 18 лет? Так вот это далеко от рекорда. На то, чтобы выделить витамин В12 и расшифровать структуру его молекулы, понадобилось 36 лет. Но результат стоил потраченных усилий. Ведь этот витамин очень важен для работы нашего мозга, без него он отказывается понимать умные книги. Кстати, Дороти Ходжкин, которая поняла, как устроена молекула витамина В12, была удостоена за это Нобелевской премии по химии.

Ещё один пример. Великий английский учёный Майкл Фарадей первым выделил и описал знаменитое вещество бензол. Это случилось в 1825 году. Но лишь через 40 лет немецкий химик Фридрих Август Кекуле догадался, как устроена его молекула. А ведь на первый взгляд — ничего сложного, молекула бензола состоит всего из двенадцати атомов, шести атомов углерода и шести атомов водорода.

Сегодня расшифровка структуры неизвестного вещества занимает гораздо меньше времени. Нынешнему химику, пожелавшему установить формулу индиго, не придётся тратить 18 лет, как А. Байеру. Теперь в его распоряжении есть множество самых разных хитроумных приборов, которые помогут быстро решить задачу. Перемещаясь от одного прибора к другому, исследователь для начала установит, что в состав молекулы индиго входят шестнадцать атомов углерода, десять атомов водорода, два — азота и два — кислорода. А затем выяснит, какой узор выложен из этих атомов, в какой последовательности они соединены между собой. И потратит на это не больше недели.

Здорово? Быстро? Да. Вот только этот выигрыш во времени получился за счёт... химии. Ведь в такого рода исследованиях ценность представляет не только конечный результат, но и путь, который прошел учёный.

Адольф Байер, пока бился над структурой индиго, попутно установил строение десятков новых веществ и придумал множество новых реакций, которыми сегодня пользуются все химики. Неудивительно, что он получил Нобелевскую премию по химии — её дают за большой труд.