Удивительная химия

С древних времен одним из главных вопросов, занимающих философов, был вопрос: из чего все состоит? Первым на него попытался ответить греческий философ Фалес (640–550 до н. э.). Он полагал, что, поскольку одни вещества могут превращаться в другие, все они «сделаны» из одного и того же «первичного вещества» и являются только его разновидностями. Таким веществом Фалес считал воду, причем, конечно, не воду в реке, а воду как некую идеальную субстанцию, которая является «прародительницей» всего остального. Действительно, всякий знает, что чистая вода не имеет ни формы, ни цвета, ни запаха. Более того, она легко переходит из одного состояния в другое — замерзает в лед или превращается в пар. Много тысячелетий назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, весьма напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали — «кристаллос»; это слово происходит от греческого «криос» — «лед». Полагали, что лед, образующийся в горах, на сильном морозе, становится твердым как камень и теряет способность таять при нагревании. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель (384–322 до н. э.) писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». Римский поэт Клавдиан в 390 году уже новой эры то же самое описал красивыми стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить.

(Пер. М. Ильинского)

Любопытно, что такой же ход рассуждений был и у мудрецов древнего Китая и Японии — лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. Интересно, как в разных странах и в разное время людям приходят в голову одни и те же идеи! Со временем, конечно, стало ясно, что горный хрусталь и лед — различные вещества. Однако оба термина сохранились: «кристалл» — в физике, химии, минералогии, «хрусталь» — в стекольном деле, где хрусталем называют особое стекло, например, с добавками соединений свинца.

Если вода может застыть в красивый твердый минерал, а также превратиться в пар, то почему она не может превратиться и во все остальное? Идея о воде как «первичном элементе» помогала объяснять единство вечно существующей материи: «Ничто не возникает из ничего, и ничто не исчезает, — писал греческий философ Анаксагор (ок. 500–428 до н. э.), — происходит только перераспределение тех вещей, которые существовали прежде». Это была очень глубокая и, по существу, правильная идея.

Конечно, древние не знали, да и не могли знать, что же представляют собой эти первоначала. Не все соглашались с Фалесом. Были философы, считавшие, что первооснова всех вещей — воздух, который, сгущаясь, превращается в воду и землю, а из них возникает все остальное. Другие полагали, что первоэлементом является огонь — ведь он так переменчив, так непостоянен. Но почему должно быть только одно «первоначало», только один первичный элемент, из которого все и построено. Почему нее «детали мирового конструктора» должны быть одинаковыми? Скорее всего, их больше — но сколько?

Сейчас известно, что в природе существует около 90 различных «первоначал» атомов. Но если бы об этом сказали грекам, они бы, скорее всего, возмутились: «Зачем в «конструкторе» так много лишних деталей! Достаточно всего нескольких!» Между тем мир очень сложен, он заключает в себе огромное множество различных веществ. Можно ли свести сложное к простому? Можно ли, исходя из нескольких «первоначал», построить все разнообразие веществ со всеми их свойствами? Это был ключевой вопрос науки. Сейчас ребенок, у кого есть хороший конструктор, скажет: «Да, можно — если в конструкторе есть детали нескольких сортов и этих деталей очень много, то из них можно построить все, что угодно!»

Многие философы, и среди них Эмпедокл (ок. 400 — ок. 430 до н. э.) и Аристотель, считали, что «первичных начал» всего четыре — это «земля», «вода», «воздух» и «огонь». Эти слова взяты в кавычки, потому что «вода» у Аристотеля — это не знакомая всем жидкость, а, как у Фалеса, лишь носитель определенных качеств: влажности и холода. Чем больше в каком-нибудь теле «воды», тем оно холоднее и более влажное. Соединение элементов с противоположными свойствами невозможно: теплота не может соединиться с холодом, а влага с сухостью. По Аристотелю, свойства элементов комбинируются попарно (рис. 1.3): вода влажная и холодная, огонь сухой и горячий, воздух теплый и влажный, земля холодная и сухая.

_{Рис. 1.3. Элементы Аристотеля в сочетании с разными «качествами»}

К этим четырем «земным элементам» Аристотель присоединил нематериальный, «эфирный» элемент, который проникает во все вещи — quinta essentia, т. е. «пятая сущность»; вот откуда возник термин «квинтэссенция», который означает самое главное, важное, наиболее существенное.

Можно ли из четырех «первичных начал» и «эфира» построить все остальные тела? Аристотель и его последователи считали, что можно, если четыре «первичных начала» с помощью «пятой сущности» способны превращаться друг в друга. Так, вода может превращаться в воздух и землю, потому что их общим свойством является влажность. Таким образом появилась «химическая теория», показывающая, как одни вещества могут превращаться в другие.

Великий греческий философ Платон (ок. 428 — ок. 348 до н. э.) сделал очень интересную вещь: он уподобил каждое «первоначало» правильному выпуклому многограннику. Таких многогранников существует всего пять, и их часто называют «Платоновыми телами» (рис. 1.4). Напомним, что правильным называется выпуклый многогранник, построенный из одинаковых правильных многоугольников. Например, из четырех равносторонних треугольников можно сделать тетраэдр— многогранник с четырьмя вершинами, четырьмя гранями и шестью ребрами, т. е. фигуру в форме пакета, в котором когда-то продавали молоко. Кстати, «тетра» по-гречески означает «четыре», а «эдра» — «поверхность, сторона». Из шести квадратов легко получается второе платоново тело — куб. Из восьми равносторонних треугольников состоит октаэдр, в переводе с греческого — «восьмигранник» (представьте себе две египетские пирамиды, сложенные вместе своими основаниями, — это и будет октаэдр). Из двенадцати правильных пятиугольников получается двенадцати гранник — додекаэдр. Икосаэдр («эйкос» по-гречески «двадцать») состоит из двадцати равносторонних треугольников. Других правильных многогранников не существует. Попробуйте склеить все эти фигурки из бумаги. Кстати, это не просто забава. Именно такой «детской игрой» занимались ученые, открывшие новый тип молекул, построенных из атомов углерода; они назвали их фуллеренами — по имени современного архитектора Роберта Бакминстера Фуллера, который строил купола из многогранников. За это открытие они в 1996 году получили высшую научную награду — Нобелевскую премию по химии. Самая симметричная и красивая молекула — бакминстерфуллерен — имеет 60 вершин и состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Конечно, эта фигура не является правильной (ведь в ней есть и пяти-, и шестиугольники), зато она выглядит точно так же, как современный футбольный мяч!

_{Рис. 1.4. Пять правильных многогранников — Платоновых тел:}

_{1 — тетраэдр; 2 — октаэдр; 3 — икосаэдр; 4 — куб; 5—додекаэдр}

Самое интересное, что Платон, пораженный совпадением количества правильных многогранников с числом «сущностей» природы, посчитал это равенство отнюдь не случайным. И он пришел к заключению, что огонь построен из «колючих» тетраэдров, воздух — из более «округлых» октаэдров, вода — из еще более «круглых» икосаэдров, а земля — из кубов, которые могут плотно прилегать друг к другу. Оставался еще додекаэдр, и Платон решил, что такую красивую и совершенную форму имеет весь мир — Вселенная!

Далеко не нее философы соглашались с таким представлением об устройстве мира. Так, Демокрит (ок. 460 — ок. 370 до к. э.) считал, что все тела состоят из множества мельчайших частичек, названных им атомами (в переводе — «неделимые»). Логично было предположить, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Они могут сцепляться друге другом, например, с помощью крючочков или как-нибудь иначе. Скомбинировав атомы разными способами, как детали в конструкторе, можно получать разные вещества, а также превращать одни вещества в другие. Считали, например, что золото и серебро «растут» под землей, когда атомы группируются в нужном порядке. Поэтому не удивительными кажутся попытки, предпринимавшиеся в течение многих веков, превратить неблагородные металлы в благородные.

Учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, получило название атомистической теории. Эта теория — одно из наиболее важных, фундаментальных понятий в науке. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, в принципе не так уж далеки от современных представлений: существует ограниченное число различных типов атомов (т. е. элементов), которые могут по-разному соединяться друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с разными свойствами. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции. Атомистическая теория была величайшим достижением человеческого разума. Очень образно о ней сказал лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман (1918–1988): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можно называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе… содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».

Никаких реальных «доказательств» существования атомов у древних, конечно, не было и быть не могло — только рассуждения. Например такие: что будет, если, допустим, яблоко разрезать пополам? Сейчас ответ очевиден даже малому ребенку: получатся две половины яблока. А если каждую половину снова разрезать пополам? Получатся четвертинки. Потом — восьмушки, потом — шестнадцатые доли… Через некоторое время, скажете вы, придется взять увеличительное стекло и лезвие бритвы, потом — микроскоп и специальные инструменты. А потом?