Химические загадки
Первоначальные химические понятия.
Ответы:
Воздух. Вода. Растворы.
Ответы:
Классы неорганических соединений.
Ответы:
Неметаллы.
Ответы:
Металлы.
Ответы:
Тема 6. Производства.
Ответы:
Органическая химия.
Ответы:
Как рождаются открытия?
Мировой науке известно много случаев, когда научные открытия были сделаны в результате счастливого стечения обстоятельств. Приведем три примера из истории открытия и создания органических красителей, которые широко используются почти всеми областями современной промышленности. Таких примеров, конечно ж, известно химикам намного больше и возможно кому-то даже интереснее по смыслу. Они подробно описаны в биографических книгах о больших химиках мира.
1856 года английский химик-органик Вильям Перкин-старший старался, следуя идее своего авторитетного учителя Августа Гофмана (1818-1892), синтезировать из каменноугольной смолы противомалярийный препарат – хинин (будущему большому химику было тогда только 18 лет!). Лекарство не получил, зато при окислении неочищенного анилина бихроматом калия образовалось красновато-фиолетовое вещество – краситель мовеин.
Перкину повезло дважды: во-первых, он сделал открытие на основании ошибочной идеи своего учителя относительно поисковой методики получения хинина, а во-вторых, в его распоряжении был анилин с примесью толуидинов (метилзамещенных анилинов), необходимых для образования красителя.
Интересный также случай, который произошел с немецким химиком-органиком Генрихом Каро (1834-1910). Перед ним стояла задача утилизации накопленного на складах известной и сегодня фирмы BASF (Ваdіsсhе Аnіlіn und Soda Fаbrік) побочного продукта – антрахинона. В поисках решения этой проблемы Каро смешал антрахинон с щавелевой и серной кислотой. Потом нагрел эту смесь. Однако щавелевая кислота разложилась, так и не успев вступить в реакцию.
И по какой-то причине Каро вышел из химической лаборатории, забыв выключить горелку. Когда он возвратился, то увидел среди углеподобных остатков реакционной смеси розовый сплав, который и оказался ализарином. Так был открытый один из способов получения этого важного для тех времен красителя.
Длительное время не удавалось наладить синтетическое производство важного красителя индиго. Этим вопросом занималось много специалистов, но самый значительный вклад внес немецкий химик-органик, Нобелевский лауреат (1905) Адольф фон Байер (1835-1917). Почти два десятилетия пошло у него на установление структуры и поиск путей синтеза индиго, а еще 15 лет понадобилось для разработки технологии его промышленного производства. Его коллега Карл Хейнман предложил семистадийный способ получения индиго.
Однако первая стадия – окисление нафталина – протекала медленно и с низким выходом. И вот здесь снова помог счастливый случай. Как-то во время эксперимента разбился лабораторный термометр, ртуть попала в реакционную смесь. И нафталин почти мгновенно и с высоким выходом окислился до целевого продукта – фталевой кислоты. Причиной было каталитическое действие сульфата ртути, которое произошло при взаимодействии ртути с горячей серной кислотой.
Химия – наука, которая основана на экспериментальном опыте. Итак, и редчайшие счастливые случайности сыграли и играют ныне важную роль в создании новых химических веществ.
История химии знает немало примеров, когда острая практическая потребность рождала открытия, новые оригинальные подходы к решению давно существующих жизненно важных проблем. Так, в предвоенной Германии, лишенной доступа к нефтяным источникам, назревал дефицит топлива, необходимого для функционирования мощной военной техники. Имея в своем распоряжении значительные запасы каменного угля, Германия была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была успешно решена усилиями замечательных химиков, из которых прежде всего следует вспомнить Франца Фишера, директора Института кайзера Вильгельма по изучению угля.
В 1926 году была опубликованная работа Ф. Фишера и Г. Тропша "О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обычном давлении". В ней сообщалось, что при восстановлении водородом монооксида углерода при атмосферном давлении в присутствия разных катализаторов (железо - оксид цинка или кобальт - оксид хрома) при 270°С получаются жидкие и даже твердые гомологи метана.
Так возник знаменитый синтез углеводородов из газов – монооксида углерода и водорода, названный с тех пор синтезом Фишера-Тропша. Смесь этих газов в разных соотношениях, так называемый синтез-газ, легко может быть получен как из угля, так и из любого другой углесодержащего сырья.
Следует отметить, что к моменту разработки синтеза Фишера-Тропша существовал другой способ получения жидкого топлива – не из синтез-газа, а непосредственно из угля прямой гидрогенизацией. В этой области значительных успехов добился также немецкий химик Ф. Бергиус, который в 1911 году получил из угля бензин.
Справедливости ради подчеркнем, что синтез Фишера-Тропша возник не на пустом месте – к тому времени существовали научные предпосылки, которые базировалось на достижениях органической химии и гетерогенного катализа. Еще в 1902 году французские химики П. Сабатье и Ж. Сандеран впервые получили метан из СО и H2. В 1908 году наш славный земляк, профессор Харьковского университета Егор Иванович Орлов открыл, что при пропускании монооксида углерода и водорода над катализатором, который состоит из никеля и палладия, нанесенных на уголь, получается этилен.
Промышленность искусственного жидкого топлива достигла наибольшего подъема в годы Второй мировой войны. Достаточно сказать, что синтетическое топливо почти полностью покрывало потребности Германии в авиационном бензине. После 1945 года в связи с бурным развитием нефтедобычи и падением цен на нефть отпала необходимость синтеза жидкого топлива из синтез-газа. Наступил нефтехимический бум.
Однако в 1973 году взорвался нефтяной кризис - нефтедобывающие страны ОПЕК (Организация стран - экспортеров нефти - Оrgаnіzаtіоn of Petroleum Ехроrtіng Соuntrіеs) резко повысили цены на сырую нефть, и мировое сообщество вынуждено было осознать реальную угрозу истощения дешевых и доступных нефтяных ресурсов. Энергетический шок 70-х лет возродил интерес ученых и промышленников к использованию сырья, которое альтернативно нефти. Здесь первое место, бесспорно, принадлежит углю. Мировые запасы угля огромные, они, по разным оценкам, более чем в 50 раз превосходят нефтяные ресурсы, и их может хватить на сотни лет.
Нет никаких сомнений, что в обозримом будущем использование синтез-газа будет играть ключевую роль не только и не столько для производства "угольного" топлива (здесь тяжело пока что конкурировать с нефтяным топливом), но прежде всего для целей органического синтеза. В это время в промышленном масштабе по методу Фишера-Тропша получают бензин, газойль и парафины только в Южной Африке. На установках фирмы "Sasol" вырабатывают близко 5 млн т. в год жидких углеводородов.
Отражением интенсификации исследований относительно химических синтезов на основе синтез-газа является резкое возрастание научных публикаций, посвященных химии одноуглеродных молекул (так называемая С1-химия). С 1984 года начал издаваться международный журнал "C1-Molecule Chemіstry".
Поиск путей решения любой химической проблемы, когда еще нет подходящей научной теории и приходится перебирать подряд все варианты, химики в шутку называют "методом научного тыка". Есть у этого метода и более благозвучное, научное название – "скрининг" (от англ. screen - "просеивание").
История химии знает немало смешных случаев использования этого «метода тыка». Вот что, например, случилось в Великобритании во времена знаменитой королевы Виктории (1837-1901). Тогда много ирландцев по национальной традиции носили (носят и ныне) теплые фланелевые ночные рубашки. Поскольку жилье тогда отапливались открытыми каминами, то это часто приводило к несчастным случаям: на человеке, который дремал возле камина, вспыхивала ворсистая ткань. Ситуация была настолько серьезной, что власть грозила запретить продажу фланели, если не найдется доступный способ сделать ее огнестойкой.
Заинтересованные производители ткани обратились за помощью, конечно, к химикам. Эту проблему решил известный английский химик-органик Вильям Генри Перкин-старший (1838-1907), который прославился еще в молодом возрасте получением одного из первых синтетических красителей – мовеина. Он предложил обрабатывать фланель нетоксичным водным раствором хлорида олова. Когда вездесущие корреспонденты газет спросили Перкина, как ему удалось прийти к настолько необыкновенному и неординарному решению, он улыбнулся и сказал: "Это очень даже просто. Вы знаете, что у меня большая и хорошо оборудованная лаборатория с великим множеством химических реактивов, которые находятся на полках строго по алфавиту. Я же начал поиски с "А" и нашел то, что и искал, когда уже дошел до "S". (станум хлорид, от английского – stannous chlorіde).
Вот еще один пример. Еще в начале ХХ ст. известный немецкий химик-органик, врач, бактериолог Рафаэль Ерлих (1854-1915) предложил искать новые лекарственные препараты этим же методом скрининга. Суть его метода состояла в том, что широкий круг разных химических соединений, в том числе впервые синтезированных, с помощью стандартных методик подвергаются проверке на биологическую активность в надежде на то, что рано или поздно на «сите» заблестит самородок – вещество с нужными медицинскими свойствами.
Ерлих в поиске эффективного лекарства от сифилиса лично синтезировал 605 химических веществ – и все безрезультатно. И лишь следующий «препарат 606» (это был мышьякорганический препарат сальварсан) имел нужные свойства. Ерлих публично убеждал, что ему повезло: «Я вполне мог найти то, что искал и после синтеза «препарата 6666».
Ныне число синтетических лекарственных препаратов вычисляется многими тысячами. Не удивительно, что, если в 1-м издании популярного справочника М.Д. Машковского „Лекарственные средства” (1954г.) помещались сведения про 556 лекарственных препаратов, то уже в 14-му издании (2000г.) – более чем о двух тысячах.
Поиском новых лекарственных средств занимаются в наибольших научных центрах во всем мире. А метод скрининга и до сих пор не утратил своего значения, хотя он требует очень больших затрат труда и времени. По статистике новый фармацевтический препарат получается лишь в одном случае из десятков тысяч – если действовать методом проб и ошибок.
Но есть и другой принцип, который приводит к цели намного быстрее. Это целенаправленный синтез, который включает и накопленные за много десятилетий знания, и собственный опыт, и интуицию исследователя. Опытный специалист, глянув на структурную формулу, с высокой достоверностью скажет, какого действия следует ожидать от этого химического соединения – сосудорасширяющего или обезболивающего.
Известно также, какие химические группы и радикалы-заместители усиливают эффект, какие – ослабляют. И тем не менее, введение в практику каждого нового фармакологического препарата требует огромных усилий великого множества исследователей, химиков, биологов, врачей, фармакологов…
Минуты удивительного редчайшего вдохновения, когда неожиданно приходит крайне нужное решение (озарение), подробно описывают все биографы больших химиков. Вот, историки пишут, что Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) окончательный вид своей периодической таблицы химических элементов увидел во сне.
Фридрих Август Кекуле (1829-1896), немецкий химик-органик, уверял своих любопытных коллег, что структура бензольного кольца приснилась ему, когда он отдыхал в кресле перед камином. Равно через 25 лет после открытия Кекуле, когда немецкие химики отмечали "Праздник бензола", учёный так описывал рождения знаменитой формулы: "...Моя химическая лаборатория находилась в переулке. И даже днем в ней властвовал полумрак. Для химика, который проводит целые дни в лаборатории, это не было препятствием. Я продолжительное время занимался работой над своим "Учебником по органической химии", но что-то мне мешало. Мои мысли где-то витали. Я повернул кресло к камину и задремал. Атомы принялись танцевать перед моими глазами. На этот раз маленькие группы атомов углерода и водорода держались скромно на втором плане. Мой взгляд, обостренный от повторения одних и тех же образов, сосредоточился на больших фигурах разной формы. Длинные цепочки очень часто сближались и превращались в трубку, напоминая двух змей. Но что это? Одна из них уцепилась зубами в собственный хвост, продолжая насмешливо кружиться перед моими глазами. Я внезапно проснулся и на этот раз провел остаток ночи, чтобы обдумать следствия из моей гипотезы о строении молекулы бензола".
Будто бы все и просто. Однако это лишь предполагаемая простота. Кому ещё могут присниться атомы, которые кружат в танце, как не человеку, который продолжительное время упорно и сосредоточенно размышляет над связанной с ними проблемой. Открытию Кекуле предшествовала изнурительная научная работа, поиски. Много лет он спал по два часа в сутки. Он вспоминал: "Одна ночь, проведенная без сна, не берется во внимание. Только две или три ночи подряд без сна я считал своей заслугой".
Швейцарский химик Альфред Вернер (1866-1919), Нобелевский лауреат (1913), творец знаменитой координационной теории, проснулся ночью потому, что вся теория неожиданно выстроилась в его мозгу.
Итак, как видим, чаще всего гениальные решения химиков приходят во время сна, но известны и другие примеры.
Физику Максу Планку квантовая гипотеза явилась среди дня, как вспышка молнии. Широко известна легенда о том, что физик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, когда ему на голову упало яблоко.
Можно предположить, что биографы больших ученых, желая представить более эффектно сам факт того или другого научного открытия, невольно уделяют повышенное внимание именно описания того момента, когда оно завершилось. Спокойные соображения приводят к несколько иным выводам. Действительно, все люди ложатся ночью спать. Почему же Периодическая система химических элементов приснилась именно Менделееву, а не кому-нибудь другому? Решающую роль минутных озарений опровергают и сами авторы открытий, скромно и сдержанно объясняя, что же на самом деле было исходным источником: "Все время думал об этом, поэтому и открыл" (Ньютон), "Трудился, трудился, всю жизнь трудился. Искал, ну и нашел" (Менделеев), "Зачем столько слов? Я просто не отступал в своей работе. Вот и все" (Эйнштейн), "В каждом гении лишь 1 % гения и 99 % потения» (Эдисон).
Здесь невольно хочется провести аналогию с тем, как находят нужное решение писатели, художники или же музыканты. Для сравнения наиболее подходят случаи, когда творец не сам ставит себе задачу, а она предлагается ему в сформулированном виде. В одном из интервью на радио композитор Родион Щедрин рассказывал, что в 1999 году ему позвонили по телефону из Нюрнберга (Германия) и предложили написать вступление к знаменитой девятой симфонии Бетховена.
Музыканты оркестра должны выполнять без перерыва вступление и саму симфонию. Безусловно, задача чрезвычайно трудная и очень ответственная. Её решение пришло к композитору в тот момент, когда во время движения по шоссе его машина забуксовала на льду и съехала в кювет. Вместе с чувством крайнего раздражения и досады родилась нужна идея. Её воплощение, по мнению автора, является лучшим из всего, что он написал в 1999 году. Рекламная подача этого события делает акцент на минутной потере управления автомобилем, но спокойные соображения приводят нас к другому выводу. Главное здесь в том, что композитор перед этим долго размышлял, а дорожное событие сыграло роль спускового крючка.
Пути, которые ведёт к озарению, у большинства творческих людей (химиков, физиков, биологов, писателей, композиторов...) удивительно схожи. Высказывания талантливых людей, далеких от естественных наук, подтверждают это. Известны строки поэта Владимира Маяковского: "Поэзия – та же добыча радия...", слова писателя Антона Чехова: "Талант – это работа, трудная, упорная и повседневная!"
За этими афористическими фразами скрыта одна существенная деталь: напряженная работа творческой мысли – это процесс не по принуждению «от» и «до», а органическая потребность дотошного ума, естественное стремление творца найти давно искомое решение.