Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Чтобы создать вещество, вам потребуются атомы в различных трехмерных комбинациях: комковатые массы, гибкие пластины, тонкие волокна и разветвляющиеся массивы. Вам понадобятся молекулы всех мыслимых размеров и форм: цепочки из атомов, кольца из атомов, крепкие блоки из атомов и полые цилиндры из атомов. Наше общество создает материалы со всевозможными полезными свойствами, какие только можно себе представить: шелковистые, упругие, прозрачные, душистые, поглощающие, разноцветные, изолирующие, абразивные, водоотталкивающие, непрозрачные, липкие, биоразлагаемые, защищающие от ультрафиолета, пряные, магнитные, легковоспламеняющиеся, плотные, ломкие, тепло- и электропроводные, сладкие и соленые, мягкие и безопасные.

Постоянно расширяющийся спектр общественных нужд и желаний создает бесконечный спрос на столь же разнообразные атомные структуры. Каждый материал нужно детально спроектировать, тщательно подогнать на атомном уровне для выполнения его специфической роли, поскольку основной принцип химической науки заключается в том, что свойства любого материала зависят от его атомов — от характерного для этого материала набора атомов, а также от того, как они связаны между собой.

В соединениях с другими атомами ни один химический элемент не играет свою роль лучше, чем углерод, химия которого столь неизмеримо богата, что для обозначения специальности ученых, посвящающих свою деятельность изучению углерода, придумали имя собирательное — химики-органики. Их международное сообщество насчитывает более миллиона членов-исследователей. Иными словами, химиков-органиков — специалистов, которые всю жизнь играют с углеродом, — намного больше, чем всех других ученых-химиков.

Правила электронов

Правила — особенно те, что основаны на числах, — часто кажутся спорными. Например, в спорте. В американском футболе было время (в 1880-е гг.), когда за филд-гол давали пять очков, а за тачдаун — только четыре{121}. Тачдаун «повысили» до пяти очков в 1897 г., филд-гол «понизили» до четырех в 1904-м, а затем до ставших сегодня привычными трех — в 1909 г. Тачдаун снова изменили уже на нынешнее его значение в шесть очков в 1912 г. За минувшее столетие похожие изменения претерпевали правила безопасности, а также дополнительные одно и два очка после тачдауна. В исторической перспективе правила начисления очков в американском футболе производят впечатление более чем замысловатых и преходящих, причем они неизбежно подвергнутся дополнительным корректировкам в будущем.

Химия тоже своего рода игра, в которой игроками являются атомы, исполняющие древний танец химических связей, где счет определяют электроны. Вот, навскидку: вы атом-победитель, если у вас в итоге оказывается 2, 10, 18 или 36 электронов. Почему именно эти значения? И что они — тоже спорные? А будут ли они такими же во вселенных, параллельных нашей? Физики придумывают замысловатые объяснения этим магическим числам. Это просто правила игры, но в данном случае правила встроены в саму ткань нашего космоса.

Некоторые атомы уже рождены счастливыми — как раз с двумя (элемент гелий), десятью (неон), 18 (аргон) или 36 (криптон) электронами. Эти особенные атомы ведут жизнь изолированных, свободно фланирующих индивидуалистов — инертных газов-отшельников, поскольку им нет нужды полагаться на какие-либо другие атомы, чтобы набрать победное число электронов. Другие атомы немного промахиваются мимо магического числа. Натрий — 11-й элемент — изначально владеет 11 положительно заряженными протонами и 11 отрицательно заряженными электронами, но он с готовностью отдает один электрон и становится катионом натрия. Хлор — со своими 17 протонами и 17 электронами — с той же готовностью забирает этот нежелательный электрон у натрия и становится анионом хлора. Положительные ионы натрия притягивают отрицательные ионы хлора, чтобы, соединившись, создать восхитительные изящные кубики кристаллов поваренной соли — хлорида натрия.

В Периодической таблице много элементов-неметаллов, подобных хлору или кислороду (у которого восемь электронов, т.е. ему недостает двух до магических десяти), жаждущих отхватить себе электрон-другой у «перегруженных» электронами металлов вроде натрия или магния (у которого 12 электронов). Большинство элементов Периодической таблицы перенимают эту стратегию отдачи или захвата электронов, чтобы победить в игре связей. И это хорошо. Если бы все атомы были одинаково счастливы со своим исходным количеством электронов, то не было бы причины присоединять их или делиться ими, оказалось бы невозможным образование химических связей и мы бы никогда не пришли к нашему буйному разнообразию материального существования.

В этом мире взаимовыгодного бартера электронов и (обычно дружеских) слияний углерод занимает уникальное место, будучи элементом №6, т.е. находясь в середине периода на полпути между магическими двумя и десятью электронами. Подобно уставшему пловцу на озере, который оказался на равном расстоянии от двух берегов, углерод просто не «знает», что ему делать. Должен ли он устремиться в одну сторону и искать еще четыре электрона, чтобы обладать магическими десятью? Или ему следует направиться в прямо противоположном направлении и отдать четыре электрона, чтобы в итоге у него оказались магические два?

Эта неоднозначность дает углероду преимущество для образования связей, неизвестное большинству других элементов. В отличие от натрия, который неизменно отдает один электрон, или хлора, который столь же охотно хватает этот дополнительный электрон в борьбе за атомное счастье, шестой элемент наслаждается сразу многими контрастными химическими ролями — то забирает, то отдает, то делится электронами во взаимодействиях, которые ведут к образованию намного большего веера химических соединений, чем у всех остальных ста с лишним элементов, вместе взятых. Поэтому углерод способен создавать как самые твердые из всех известных материалов, так и самые мягкие, как самые яркие и разнообразные цвета, так и самый черный из наичернейших, как самые скользкие смазки, так и самые липкие клеи.

Горючий углерод{122}

Нам нужны материалы, но, чтобы их создать, требуется много энергии. Зачастую эта энергия приходит от тепла сжигаемого углеродного топлива. Мы везунчики, поскольку у Земли богатые запасы маленьких горючих углеродсодержащих молекул — углеводородного топлива, куда входят уголь, нефть и природный газ. Углеводороды, эти несложные продукты органической химии, встречающиеся повсеместно на Земле и в космосе, представляют собой молекулы, каждая из которых создана из прочного скелета соединенных атомов углерода и декорирована оторочкой из атомов водорода. В природном газе, или метане, — простейшем углеводороде — один атом углерода окружен пирамидой из четырех атомов водорода. Вклад углерода — шесть электронов, каждый из атомов водорода добавляет еще по одному для магической суммы в десять электронов.

Когда друг с другом соединяются два атома углерода, окруженные шестью атомами водорода по периферии, появляется новое соединение — топливо под названием этан. В этой простой горючей молекуле оба атома углерода используют свои электроны совместно с четырьмя соседями, в итоге каждый атом углерода наслаждается десятью электронами, а в то же время каждый атом водорода получает желаемое дополнение для обладания двумя электронами. В этане все атомы довольны.

Давайте продолжим строить: три подряд атома углерода обеспечивают скелет для пропана — распространенного в сельской местности топлива, которое хранится в больших белых цистернах. В пропане небольшой ряд из трех атомов углерода окружен восемью атомами водорода.

Если атомов углерода — четыре, то появляется кое-что новенькое: эти четыре атома имеют возможность выстраиваться двумя разными способами в виде двух изомеров. Четыре атома углерода бутана могут образовывать аккуратный коротенький ряд (это бутан-топливо, оно используется в большинстве одноразовых зажигалок), или же они формируют Т-образную молекулу — изобутан, который находит повседневное применение в качестве безопасного хладагента. Пентан с пятью атомами углерода и 12 атомами водорода умеет формировать цепочку из пяти углеродных атомов, цепочку из четырех атомов с одной боковой ветвью, а также симметричный крест. У октана, компонента бензина из восьми атомов углерода, существуют 18 замечательных изомеров с различной топологией (один изомер, «основа» октанового числа бензина, имеет цепочку из пяти атомов углерода с тремя небольшими ответвлениями). Парафины развивают эту тему, гордясь углеводородной цепочкой, в которой от 20 до 40[33] атомов углерода — чем их в цепочке больше, тем выше точка плавления.

С пятью или более атомами углерода у вещества возникают новые возможности: эти атомы способны кружиться в хороводе элегантных кольцеподобных молекул{123}. Бензол, некогда используемый в качестве промышленного чистящего средства, ныне же известный как опасный канцероген, образует кольцо из шести углеродных атомов с отходящими от него подобно спицам в колесе шестью атомами водорода. Иногда кольца углерода сцеплены вместе — этот рисунок обнаруживается в большинстве частиц черной сажи. Нафталин, наиболее широко известный полициклический углеводород, соединяет в пару два таких кольца. У антрацена, распространенного компонента черного дыма, образующегося при сгорании древесного угля и дымлении дизеля, в молекуле прямая линия из трех связанных гексагональных колец, а пирен, еще один компонент сажи, представляет собой плотный кластер из четырех колец.

Иногда молекулы образуют изящные конструкции с причудливыми комбинациями цепочек, ветвей и колец — подобные структуры наблюдаются во многих жизненно важных молекулах от стероидов и витаминов до кирпичиков генетических молекул ДНК и РНК. Эти основанные на углероде молекулы могут расти все дальше и дальше, образуя десятки пяти- и шестичленных колец, связывающихся в цепи, другие кольца и кластеры. На самом деле разнообразию углеводородных молекул буквально нет конца, и более того, большинство из них горят.

Уголь, нефть и природный газ — все они изначально образуются из углеводородов. Эти ископаемые виды топлива преобразили человеческое общество и, к счастью или несчастью, продолжают оставаться нашими самыми дешевыми и самыми распространенными источниками химической энергии. Не так уж много планет помимо Земли, где углеводородные молекулы оказались способны создать хоть паршивенькое горючее. Поверхность гигантского холодного Титана (спутника Сатурна) подвергается воздействию углеводородных дождей, которые бомбардируют ее в периоды мощных циклонов{124}. Реки Титана и его огромные озера наполнены метаном и этаном. Вам удалось бы проплыть на лодке по метановым озерам Титана, но, если бы вы захотели зажечь там спичку (чего вы не смогли бы сделать, потому что там нет кислорода, порождающего огонь), ничего бы не случилось. Из-за отсутствия химического окислителя в атмосфере Титана углеводородный дождь просто погасил бы любое пламя.

Основной отличительный признак Земли — обилие атмосферного кислорода, угрожающе химически активного побочного продукта фотосинтеза. Кислород — элемент, исключительно жадный на электроны. В противоположность любой другой планете или ее спутнику в нашей Солнечной системе, если зажечь спичку здесь, на Земле, поблизости от летучих углеводородов, таких как природный газ, возникнут драматические и опасные последствия. В бурной взрывной окислительно-восстановительной химической реакции молекулы углеводородов стремятся отдавать электроны, вступая в контакт с кислородом, чтобы образовать два знакомых простых вещества: углекислый газ и воду. При этих быстро «вспыхивающих» химических реакциях вырабатывается много тепла и света — парадокс пламени как «хорошего слуги», но «плохого хозяина»[34]. Тысячи лет люди жили с одновременными существенными преимуществами и повсеместной опасностью открытого огня.

Тепло — это ключ к созданию новых материалов, а ископаемые виды топлива — жизненно важный источник преобразующего тепла. Большинство углеводородных видов топлива горят при высоких температурах — близких к 2000 °C, если речь идет о природном газе в конфорке вашей кухонной плиты или о бутане в вашей зажигалке (ваша индейка на День благодарения, напротив, печется в духовке при жалких 200 °C). Некоторые специфические задачи, такие как сварка и обрезка металла, требуют гораздо более горячего пламени в 3300 °C, которое вырабатывается кислородно-ацетиленовой горелкой. Тем не менее насыщенные углеродом ископаемые виды топлива мы извлекаем из земли не только ради их горения, но и для создания из них различных материалов. Уголь, нефть, битуминозные пески и природный газ часто являются исходным сырьем для изготовления большинства вещей, окружающих нас в повседневной жизни.

Такой разный углерод

Углеводороды населяют лишь крошечную область в обширном царстве органической химии. Земля производит миллионы разных видов богатых углеродом молекул, но на чем основано такое изобилие? Ответ лежит в уникальной способности углерода соединяться со многими химическими элементами — десятками разных обитателей Периодической таблицы, в том числе с самим собой. Большинство углеродных соединений в вашем теле содержат кислород. Азот, сера и фосфор также типичные компоненты самых важных кирпичиков жизни. Углерод с готовностью соединяется с металлами, такими как железо, титан и вольфрам, чтобы стать материалом для изготовления прочных твердосплавных деталей машин и абразивов, а также с неметаллами вроде фтора и хлора.

Получающиеся в результате углеродсодержащие химические вещества обеспечивают основу современной промышленности, которая базируется на углеводородах как наиболее существенном сырье. И здесь мы приходим к важному осознанию: рано или поздно нам придется прекратить сжигать уголь и нефть. Можно упомянуть окружающую среду, если хотите, — и будьте уверены, беспокойство по поводу воздействия на нее горящих ископаемых видов топлива вполне обоснованно, — но сущая правда заключается в том, что углерод-углеродные соединения в угле и нефти в конечном счете станут слишком ценными, чтобы их спалить. Эти вездесущие связи между атомами углерода — самая главная химическая характеристика нашего материального мира. Они лежат в основе почти каждого продукта, который мы потребляем в повседневной жизни. Наша планета обеспечила нас многими альтернативными видами энергии: в изобилии присутствуют солнечный свет, непрекращающиеся ветры, возобновляемые виды биотоплива, бьющиеся о берег волны, неистощимое геотермальное тепло и полные сил ядерные реакции радиоактивного урана. А виды топлива, основанные на углероде, напротив, представляют собой незаменимое сырье для нашего процветающего материального мира.

СКЕРЦО — Полезные вещества

Горячие

Огонь, круто! Огонь — это ключ к переработке угля и нефти, которые сами по себе не более чем богатые остатки погребенной жизни, высушенные и сжатые в сложные смеси бесчисленных тысяч различных молекул{125}. Большинство молекулярных компонентов — невелики по размеру, это знакомые нам горючие углеводороды: метан, этан, пропан, октан. Другие — крупные сложные молекулы, которые могут похвастаться десятками атомов углерода в соединении с кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Суть переработки заключается в нагревании этого зловонного черного химического рагу в высоком сегментированном цилиндре, который гораздо горячее снизу, чем сверху. Вы замечаете эти бросающиеся в глаза ректификационные колонны каждый раз, когда проезжаете мимо химических предприятий, ощетинившихся рядами металлических труб, часть которых пылает сверху — это сжигаются небольшие излишки метана, т.е. то количество природного газа, которое инженеры-химики считают слишком скудным для получения прибыли. В каждой из этих башен проходят многочисленные этапы химического процесса сепарации.

Когда смесь ингредиентов в колонне нагревают, каждый молекулярный компонент достигает своей точки кипения на разной высоте. На следующих один за другим уровнях из колонны выступает сложная система труб — каждая труба «извлекает» и собирает свой продукт, таким образом дистиллируя разнородную черную жидкость поэтапно. Меньшие молекулы обычно кипят при более низких температурах, поэтому они собираются в верхней части колонны — пропан и бутан поблизости от наиболее холодной верхней ее оконечности, бензин и керосин — в середине колонны, а плотный тягучий жидкий асфальт и парафины сливают с более горячего ее дна. Нефтеперегонные заводы соединяют ректификационные колонны в тщательно продуманном химическом танце, где каждая колонна выполняет отдельный этап основной задачи отбора и концентрации важных органических химических веществ.

После того как все эти разнообразные углеродсодержащие молекулы проходят перегонку и очистку, к ним применяется множество химических трюков для получения новых соединений: различные химические вещества сливают в большие чаны и реторты, перемешивают, сжимают, добавляют необходимые реактивы, возможно, даже щепотку катализатора, а затем «варят» при нужной температуре. Разные рецепты складываются в целые кулинарные книги, полные предложений полезных синтетических блюд.

Для современной жизни крайне важны из них полимеры — пластики под названиями ПЭТФ и ПВХ, синтетические волокна нейлон и вискоза, краски, клеи, резина и сотни других химических продуктов, которые играют самые разнообразные роли в нашей повседневности.

[33] Согласно отечественной номенклатуре, количество атомов углерода в парафинах варьирует от 18 до 35. — Прим. ред.

[34] Автор здесь обыгрывает расхожее выражение “Fire and water are good servants but bad masters” — дословно: «Огонь и вода — хорошие слуги, но плохие хозяева». — Прим. ред.