Химия завтра - Борис Ляпунов

Уже сейчас раздвинулись рамки «синтетического» творчества. А потом они раздвинутся еще шире. Будут создаваться разнообразные материалы с наперед заданными свойствами, какие потребуются людям.

Творец новых веществ, химия прокладывает дорогу к неведомым сейчас тайникам превращений. Раскрываются секреты химических реакций, механизмов химических связей и всего того, что происходит с молекулами, атомами, группами атомов, ионами, электронами. И открытия, уже сделанные сегодня, прокладывают пути в будущее иной раз неожиданные и очень важные для химической практики завтрашнего дня.

Мы привыкли считать, что молекулы состоят из атомов. Но возможно ли, чтобы не атомы, а целые молекулы или ионы послужили стройматериалом тоже для молекулярного здания, только более сложной кладки?

Оказалось, что в природе существует множество таких сложных построек — комплексов. В центре — атом или ион, комплексообразователь. Это может быть и металл, и почти любой из элементов периодической системы. Вокруг него находятся связанные с ним группы атомов или ионы. Это — лиганды. Они могут располагаться в вершинах невидимых многоугольников или многогранников — квадрата или тетраэдра, куба или октаэдра и других. Связи от центрального атома могут расходиться как клешни краба или щупальца осьминога.

К комплексам неприменимы обычные представления о химических связях. Поэтому говорят, что они — настоящее чудо химического мира. И в чем тут дело, какие силы удерживают лиганды вокруг комплексообразователи, до конца не выяснено.

«Комплексное соединение — очень сложное «содружество», в нем каждый из «союзников» испытывает влияние своего соседа… Все составные части комплекса перестраиваются, приспосабливаясь к совместному существованию… Комбинируя атомы металлов с разными атомами, нонами, молекулами, способными выступать в роли лигандов, можно получать необычные, иногда очень денные вещества, и число таких комбинаций может быть как угодно большим», — пишет член-корреспондент Академии наук УССР К. Яцимирский.

Комплексы мы найдем в солях морской воды и минералах, в крови и хлорофилле — в природе живой и неживой. Более того, усложненные молекулы — комплексы — неизбежный спутник множества реакций. Можно сказать, что и мы построены из комплексов и с комплексами имеем дело на каждом шагу.

Стоит заменить какую-либо из частей, его образующих, и резко меняются свойства. Нерастворимое становится растворимым, появляется другая окраска, меняются электрические и магнитные свойства. Потому-то, имея дело с комплексами, легко получать совершенно необычные вещества.

Связывая в комплекс ионы, можно удалить соли и из жесткой воды сделать мягкую. Комплексные соединения — иониты — легко притягивают и задерживают и золото из морской воды, и любой другой драгоценный металл, где бы он ни находился. Чистый уран стали извлекать из руд именно с помощью комплексов. Мы не познакомились бы ни с редкоземельными, ни с трансурановыми элементами, не приди нам на подмогу комплексы.

Теперь — мостик в будущее. Где химия комплексов найдет себе место? Всюду, где будут добывать рассеянные, редкие элементы. Полем деятельности для нее станут океан и земные недра.

Но это далеко не все. Она уже сейчас дает самые разные и притом необыкновенно полезные вещества — от антистарителей для полимеров до катализаторов, от присадок к бензину против детонации до консервантов, сохраняющих масло, фрукты, мясо и даже кровь. Среди комплексов — наилучшие красители, яркие и стойкие. И, конечно, комплексы найдут широкое применение в малой, бытовой химии и в медицине. Они способны, например, удалять из организма сильнейшие яды. Комплексы станут орудием тонкого химического анализа.

Из газа этилена, не прибегая к сильному нагреву и давлениям — этим обычным орудиям химиков, заставляющим молекулы вступать в реакции, можно получить твердый полиэтилен. Такое удивительное превращение происходит в присутствии катализатора-комплекса. Кто знает, быть может, среди комплексов найдутся ускорители и для других реакций полимеризации?

Оказалось, что в многообразном мире всевозможных искусственных соединений существуют удивительные молекулярные постройки без химических связей.

Впервые, впрочем, о них узнали полтора века назад, но как-то даже не поверили, что такое может быть. А факты накапливались. Наконец, уже специально синтезировали соединение, которого в природе никогда еще не встречали и которое построено иначе, чем все другие.

Оно образовалось не под действием обычных химических сил. Молекулы в нем соединены, как звенья цепочки. Можно все сооружение сделать из колец, причем сцеплять их по-разному, например закручивая и переплетая цепи в узлы.

Химия до сих пор такого строительного принципа не знала. Катенанами (от слова «катена» — цепь) назвали эти удивившие химиков соединения.

Здесь химия неожиданно нашла союзника в математике, в той ее области, которая казалась до сих пор весьма и весьма отвлеченной, далекой от практики, — в топологии.

Топологию интересует, каковы формы различных фигур, как они могут взаимно располагаться, как преобразовать их, не разрывая. Это похоже даже на фокус. И действительно, среди тех хитроумных геометрических построений, которыми занимается топология, часто встречаются математические головоломки. Из ленты, перекрутив ее и склеив концы, получают необыкновенное кольцо (кольцо Мебиуса). Если ленту теперь разрезать пополам вдоль, она не распадется на два кольца, а превратится в более узкое перекрученное кольцо. Если же разрезать ленту по трети ширины, получится два сцепленных кольца, подобно катенану. Кольца могут быть соединены и более сложно.

Катенаны — одно из самых молодых детищ химического синтеза. Их нужно искать в природе — они там должны быть. Их свойства нужно изучать, потому что необычное строение этих цепочек может очень многое дать и химии, и физике, и биологии.

Современная химия открывает новое даже там, где все хорошо известно, где ничего интересного, казалось бы, уже найти нельзя.

Элементы, для которых в таблице Д. И. Менделеева не было предусмотрено места и для них пришлось пристраивать к ней особую, нулевую группу. Элементы, которые не вступали ни в какие реакции. Элементы, которые за свое химическое упрямство получили прозвище инертных, или благородных. Кроме того, они на Земле еще и редкие.

Да и как могли они иметь иные свойства? Ведь внешние электронные оболочки и гелия, и аргона, и неона, и криптона, и ксенона, и радона — всех шести членов семейства инертных — полностью «укомплектованы» электронами. Поэтому они не могут ни отдавать свои электроны, ни забирать чужие.

Внешние оболочки их атомов устойчивы, и укоренилось мнение, что устойчивость эту ничем поколебать нельзя. На самом же деле она оказалась мифом.

Открыты были и гидраты аргона, криптона и ксенона — любопытные соединения. В них молекулы газов включены в кристаллическую решетку воды. Обошлось здесь без обычной химической связи.

Как-то, еще давно, вспомнили о фторе — самом агрессивном из элементов, — фторе, который соединяется решительно со всеми элементами и не может оставаться в одиночестве, повсюду выискивает себе компаньонов. Не сможет ли он расшевелить инертные атомы?

Изучая соединения фтора с платиной, химики случайно получили новое вещество. В его молекулы, кроме фтора и платины, вошел ксенон. Впервые инертность инертного была поколеблена. Произошло это несколько лет назад. Затем попытались соединить ксенон с одним фтором. И снова удача! А теперь появились окислы, фториды и другие соединения более тяжелых, инертных газов — не только ксенона, но и криптона, и радона.

Среди них — взрывчатка, она успешно может соперничать с любой другой, хотя сейчас еще слишком дорога. Среди них — будущие медицинские препараты. Наконец, новые соединения оказались очень удобны, чтобы в них сохранять и неустойчивый фтор, и устойчивый ксенон. Из такой «кладовой» легко добыть оба газа.

Легкие же газы — гелий и неон — остались пока непокоренными, и справиться с ними будет гораздо труднее. Труднее — не обязательно невозможно. Важно, что химия инертных родилась и сделала первый и, можно сказать, блестящий шаг.

Своим рождением она загадала и новые загадки.

С одной стороны, надо выяснить до конца, почему же столь странно повела себя нулевая группа, откуда взялись у нее скрытые резервы химических связей. С другой стороны, надо разобраться и в свойствах ее соседей — благородных платиновых металлов из восьмой группы. У них тоже малая химическая активность, и они тоже не зря называются благородными. А окиси галогенов (это уже седьмая группа) и кислородные соединения инертных газов оказались по свойствам похожими.

Нет ли здесь какой-либо закономерности, не понадобится ли в будущем перестроить частично периодическую систему? Пока говорят одно: инертным надо подыскать иное название, старое определенно не годится.