Физика – моя профессия

Умение химиков ориентироваться в путях, которыми можно разрушить молекулу по вполне определенным связям и, наоборот, связать куски молекул вполне определенным образом, совершенно поразительное для неспециалиста. Мне неоднократно приходилось задавать химику вопрос, а можно ли соединить атомы таким-то способом. Минута размышления, и следовал ответ: да, это нетрудно сделать в две-три стадии, или: можно, но это трудный синтез. Редко оказывалось, что путь к получению задуманной конструкции еще неясен.

Задача химика осложняется еще и тем, что мало получить новое вещество, надо еще доказать, что полученное имеет задуманную структуру. У меня создалось представление, что на эту цель серьезный химик тратит больше времени, чем на получение вещества. А доказывается строение тоже химическими способами. Обычно проводится такое рассуждение: если предполагаемое строение верно, то при смешении с таким-то веществом должно получиться то-то; если этого не случилось, то вещество иное. И таких проверок делается не одна, а несколько. Лишь после длительной и строгой проверки можно сообщить в научный журнал, что к миллиону веществ, записанных в справочнике, прибавилось еще одно – новое, миллион первое.

Большая часть химиков работает над изучением закономерностей химических реакций. Но есть исследователи, принадлежащие к отряду прикладников. Как правило, они становятся за лабораторные столы для производства ряда синтезов, среди которых надеются найти интересные для практики вещества. Прикладная химия решает, кроме того, задачу очистки веществ и разрабатывает наиболее дешевые пути синтеза.

Успех химии еще в большей степени, чем в какой-либо другой области знания, совершенно немыслим без систематической работы химиков-прикладников. Дело в том, что теория не дает еще способа предугадать, какая молекула нужна для создания материала, выдающегося по своим свойствам. Поэтому интересные находки оказываются на пути движения химиков-практиков.

Успехи химии за последние десятилетия чрезвычайно внушительны. Достаточно назвать искусственный каучук и синтетические волокна. А фармацевтическая промышленность? Поразительные лекарства, революционизировавшие медицину, – результат огромной работы химиков-синтетиков.

Тенденция замены естественных материалов искусственными усиливается. Пока что химия начала нас одевать и обувать, но недалеко будущее, когда она начнет вытеснять с обеденных столов натуральные бифштексы, заменив их, может быть, менее вкусными (на первых порах!) изделиями из нефтяных продуктов.

Партийные решения последних лет поставили перед советским народом ответственную задачу – интенсивнее развивать химию и химическую промышленность. В ряде случаев для этого достаточно увеличить выпуск продукции, вырабатываемой по известным технологическим прописям. Но это не все; мысли о новых крепких искусственных нитях, об эффективных удобрениях, о веществах, как можно более вредных для насекомых и в то же время безопасных для полезных животных и человека, должны овладевать умами советских химиков. Наша химия обязана выходить на передний край мировой науки. А чтобы оказаться впереди, недостаточно развивать лишь химическую технологию, нужно уделить внимание и синтетической химии. А ее успех во второй половине XX века немыслим без развития всего естествознания.

До последних двух-трех десятилетий химия была замкнутой областью естествознания, обладающей своими методами и эмпирическими правилами. Но вот рванулась вперед физика. Она завоевала новые позиции, установив правила построения молекул и атомов и законы движения и взаимодействия атомов и электронов. Эти правила и законы не могли не начать свое проникновение в химию.

Прежде всего стало очевидным, что нет никаких особых химических законов и не существует какой-то химической материи. Общие законы движения и взаимодействия атомов и электронов должны определять свойства вещества и управлять процессами разрушения и созидания молекул в процессе химической реакции. А если так, то эмпирические правила, накопленные химиками, должны иметь общее объяснение, должны быть частными случаями, вытекающими из общих законов природы. Значит, надо подвести под химию общий физический фундамент.

Работа эта началась лет тридцать назад, сейчас она в самом разгаре и уже приносит ощутимые результаты.

Теоретические проблемы химии очень сложны. Посудите сами. Одна молекула, сталкиваясь с другой, может нанести ей удар с тыла, фронта или флангов. И от этого соударения результат химического процесса может быть различным. В этом состоит первая сложность.

Перестройка молекул может произойти не в одну, а в несколько стадий. Значит, рассмотреть надо не только столкновение исходных молекул, но и встречи промежуточных осколков. Такова вторая сложность.

Разрушение молекулы или ее осколков может происходить по-разному: молекула может разломиться так, что с одного осколка на другой перейдет лишний электрон, а возможно, этого и не произойдет. Вот вам третья сложность.

И даже если предположить, что все сказанное известно, то и тогда математически рассчитать результат встречи, пользуясь законами движения электронов, практически невозможно. Короче, мы не умеем предсказывать результат химической реакции на основе общих законов природы, хотя ни на секунду не сомневаемся, что все происходит в строгом согласии с ними.

Ну, а как добиться хотя бы частичных успехов? Достигаются они на двух путях. Первый – это поиски эмпирических закономерностей, связывающих химическое поведение молекулы с ее структурой (структуры молекул определяются физическими методами исследования). Эмпирическую закономерность строго вывести мы не можем. Устанавливается она чисто опытным путем. Какой же толк от нее? А вот какой.

Представьте себе, что вас интересует класс веществ из 10 000 представителей и вы выбрали из них 100. Для этой сотни вы устанавливаете эмпирическое правило и говорите: в 100 случаях оно выполнялось без исключения, и хотя абсолютно ручаться нельзя, но считается крайне невероятным, чтобы это правило не выполнялось для остальных 9900 соединений.

Большей частью так оно и бывает, а если и находятся исключения, то они наталкивают на необходимость более глубокого изучения этого правила.

Разумеется, поиск эмпирических закономерностей требует широкого и систематического исследования.

Второй путь – это создание грубых моделей молекулы, а уже по моделям можно рассчитать если не весь процесс реакции, то какие-нибудь его этапы; не все свойства, а хотя бы какое-нибудь одно. Приведем пример одного из достижений физического подхода к химии. Физики научились измерять размеры атомов, следовательно, молекулу можно изобразить объемной моделью. На ней хорошо видно, как некоторые атомы оказались запрятанными в середину молекулы и к ним невозможно подобраться. Если для проведения реакции химику надо подвести к запрятанному атому какой-либо атом другой молекулы, то он уже заранее будет знать, что такая попытка напрасна. А это уже предсказание. И пусть оно говорит о невозможности задуманного пути реакции, все равно оно очень ценно. Конечно, это лишь частичный успех теории, так как химический процесс зависит не только от положения атомов в молекуле, но и от многих других причин, и геометрия молекулы лишь один из определяющих факторов.

Другой пример успеха – это возможность предсказания цветности вещества. Химики, синтезирующие красящие вещества, пользуются общими закономерностями, которые связывают цветность с наличием в молекуле определенных атомных группировок. А это тоже неплохое достижение.

Химики, занимающиеся теорией, называют себя обычно физико-химиками. С моей точки зрения, они просто физики, но заняты изучением химических процессов. Ведь работают они физическими методами, исходят в своих построениях из законов физики, мыслят и рассуждают совершенно так же, как и физики, не интересующиеся химическими превращениями.