/
Author: Бобров Л.В.
Tags: детская литература художественная литература издательство молодая гвардия
Year: 1964
Text
Глазами
Монже-
Бертолле
Л. Бобров
Глазами
Монжа-
Бертолле
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЦК ВЛКСМ
„МОЛОДАЯ ГВАРДИЯ". 1964
54
Б 72
Когда вскрыли гробницу Тутанхамона, ученые не по-
верили своим глазам. Оказалось, что снедь, погребенная
по древнему обычаю вместе с мумией, почти не тронута
тленом. Вероятность такого события с точки зрения ма-
тематики ничтожна. Тем не менее химия знает немало
подобных ситуаций и пытается объяснить их с математи-
ческой строгостью.
Но представьте, что фараон вдруг воскрес и сам при-
нялся за трапезу. Математик бы бросил карандаш и
иронически развел руками. Тем ' не менее биохимику
сплошь да рядом приходится иметь дело с процессами,
которые столь же невероятны, как и «воскресение фара-
она». И опять-таки дотошные химики стремятся всюду,
где возможно, использовать математические приемы.
Спрашивается: зачем?
Прочитайте эту книгу. Вы узнаете:
как с карандашом в руках делаются химические от-
крытия:
в чем не правы ваши учебники химии;
что происходит в таинственных глубинах «Черной
пасти»;
почему погиб капитан Скотт;
как в лабораториях появились призраки;
какие материалы нужны, чтобы изготовить мягкий по-
лупроводниковый приемник, который складывался бы,
словно носовой платок;
что вы сами тоже почти полупроводник;
из чего построить дом в триста этажей, и много-много
ответов на другие наивные глубокомысленные и каверз-
ные «как», «что» и «почему».
Художник А. Блох
На перекрестке
старых дорог
2+1=2. Бывает ли так на самом деле?
Однажды немецкий математик Гаусс вступил
в спор с итальянским химиком Лвогадро: может ли
химия считаться точной наукой?
— Нет, — уверенно настаивал первый.
— Да! — горячо возражал второй.
В подтверждение своих слов Авогадро, подойдя
к прибору, сжег 2 литра водорода в 1 литре кислоро-
да. У него получилось ровно 2 литра водяных паров.
— Вот видите! — воскликнул экспансивный
итальянец, торжествующе глядя па изумленного нем-
ца. — Стоит только химику пожелать, н он сделает
так, что 2+ 1 будет 2. Что на это скажет синьор ма-
тематик?
История не донесла до нас ответ синьора Гаус-
са. Убедил ли виртуозного немецкого вычислителя
эффектный эксперимент? Или же восторжествовал
педантизм строго математического ума, для которо-
го исключение никоим образом не опровергает само-
го правила?
Что ж, скептицизм Гаусса имел под собой твер-
дую почву. Точные математические закономерности
5
для химии в ту пору действительно были исключи-
тельной редкостью. Ну, а сегодня, спустя полтора
столетия? Можем ли мы назвать химию точной на-
укой?
В своих воспоминаниях Поль Лафарг приводит
мысль Маркса: наука лишь тогда достигает совер-
шенства, когда ей удается пользоваться математикой.
Можно ли назвать химию достигшей совершен-
ства?
Сэр Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, не был
математиком, хотя математическая строгость прису-
ща почти всем 659 его работам, первую из которых
он написал в возрасте десяти лет. Не был он и хи-
миком, хотя найденные им закономерности легли по-
том в основу многих химических теорий. Но тем бо-
лее ценно для нас своей беспристрастностью мнение
этого человека — физика, равноудаленного от обеих
смежных наук.
Что такое математика? Отвечая как-то на этот
вопрос, Томсон, не задумываясь, выписал интеграл
Эйлера-Пуассона и сказал:
— Математик — тот, для кого справедливость
этого равенства столь же очевидна, как дважды
два — четыре.
Подинтегральная функция изображается кривой,
вздувающейся посредине, как удав, проглотивший
слона. Столь невероятную зоологическую ситуацию
можно найти лишь в книге Антуана де Сент-Экзю-
пери «Маленький принц». Правда, глядя на кар-
тинку, нарисованную мальчиком, взрослые видели все-
го-навсего шляпу. Интересно, что нашей кривой мате-
матики тоже присвоили имя головного убора —
треуголки. Концы «треуголки», или, если хотите,
6
голова и хвост удава, убегают далеко-далеко в раз-
ные стороны от нулевой вертикали — осп ординат.
И хотя эта фигура не имеет конца и края, ее пло-
щадь равна конечной величине — корню квадратно-
му из числа «пи». Ее-то и подсчитывает написанный
Томсоном интеграл.
Эта кривая непросто «треуголка». Ее называют
«треуголкой Гаусса». Ибо не кто иной, как великий
немецкий математик, выявил закономерности, описы-
ваемые ею. Да, но при чем здесь томсоновский
символ математики? Ведь мы говорим о точности
в химии! Вот если бы закон Гаусса, начисто отри-
цавшего точность химии, описывал химические яв-
ления, тогда другое дело. Тогда, пожалуй, и Гаус-
су пришлось бы усомниться в своей категорично-
сти. Так что же все-таки: имеет какое-нибудь
отношение «гауссова треуголка» к химии или не
имеет?
Ответ на этот вопрос читатель найдет, одолев
предлагаемую книгу.
Математика неотделима от чисел. «Миром управ-
ляют числа» — так считал древнегреческий ученый
Пифагор, который впервые назвал вселенную
«космосом» — строем, складом. И предметом фило-
софского осмысления пифагорейцев был именно кос-
мос — нечто стройное, целостное, подчиненное зако-
нам гармонии и числа. Пифагорейцам принадлежат
замечательные исследования и в области акустики.
В опытах над натянутыми струнами были установле-
ны законы музыкальных созвучий. Они выражались
целочисленными арифметическими отношениями
между колебаниями всей струны и ее долей (основ-
ной тон и обертоны).
7
Пифагорейскую «алгебру гармонии» оспаривал Зе*
нон. Это о нем писал Пушкин:
«Движенья нет!» — сказал мудрец брадатый...
Действительно, рассуждал античный философ,
траектория движущегося тела, скажем стрелы, состо-
ит из отдельных точек. В каждый момент стре-
ла покоится в одной из точек. Стало быть, движе-
ние — сумма состояний покоя? Но это же парадокс!
Именно от апорий Зенона ведет свою родослов-
ную идея непрерывности, лежащая в основе анализа
бесконечно малых, интегрального и дифференциаль-
ного исчислений.
Бесконечна последовательность бесконечно умаля-
ющихся членов ряда, а имеет конечный предел. Ко-
нечна траектория стрелы, а ее можно разбить на бес-
конечное количество сколь угодно малых интервалов.
Более того: даже суммирование бесконечно длинной
фигуры («треуголки Гаусса») может дать конечную
площадь! /
А в химии?
Доктрина целочисленных соотношений издавна
провозглашена древним пробирным искусством. Она
гармонирует с представлениями о дискретности (пре-
рывности) материи — вспомните арифметику в опы-
те Авогадро! И неспроста: ведь слово «атом» в бук-
вальном переводе значит «неделимый».
Частицы и прерывность... Совместимы ли с этими
понятиями методы высшей математики, пронизанные
идеей непрерывности при самых .малых изменениях
в состоянии системы?
История этого вопроса тоже затронута в книге.
Математика без чисел вообще — мыслимо ли
8
такое? Вполне. Примером служит необычная геомет-
рия — топология. А приходилось ли вам слышать
о топологической химии?
Кибернетика. Когда произносишь это слово, мень-
ше всего думаешь о химических реакциях. Между тем
пламя свечи — самая обыкновенная кибернетическая
система. И она строго описывается в терминах нау-
ки об управлении и связи. К ней приложимы и мате-
матические формулы. Как говорится, дважды два —
стеариновая свечка...
Мы начали с опыта Авогадро, который продемон-
стрировал своеобразие химической «арифметики».
Да, в химии не всегда результат сложения оказывает-
ся равным сумме слагаемых. И не только в реакциях.
В химических соединениях тоже. В последнем случае
говорят о неаддитивности свойств. Не будь химиче-
ским системам присуща подобная особенность, не
было бы того, что мы называем человеческим ра-
зумом.
— Ну хорошо, — произнесет читатель, терпеливо
добравшийся до этого места. — Конечно, все сказан-
ное не лишено определенного интереса. Но химия слу-
жит человечеству с незапамятных времен, вовсе и не
претендуя на какую-то там математизацию. Имеет ли
применение математики в химии практическое зна-
чение?
Действительно, имеет или нет?
BN
GaAs
InSb
Наследие призрака?
Они были ничуть не похожи, эти двое. Один —
его звали Гаспар — был жгучим брюнетом и носил
парик с длинной косой. Другой, Клод-Луи, предпо-
читал ходить без парика, подставив ветру свои бело-
курые развевающиеся волосы. Еще больше различа-
лись их профессии: первый был математиком, вто-
рой — химиком. Но их имена всегда звучали рядом:
ученые хорошо знали друг друга и раньше, а сейчас,
11
когда оба они волею судьбы оказались участниками
знаменитой египетской кампании Наполеона, их
окончательно связала крепкая дружба.
Третий явился нежданно-негаданно. «Монж-Бер-
толле» — так окрестила его людская молва. Он был
жгучим брюнетом и носил парик с длинной косой,
твердили одни. О нет, напротив, он предпочитал хо-
дить без парика, подставив ветру свои белокурые
развевающиеся волосы, возражали другие. Солдат-
ским пари конца не было видно. Но вдруг выясни-
12
лось, что речь шла о... призраке! Монж-Бертолле не
существовал вовсе — точнее, не был единым лицом.
Да, речь шла о двух разных людях: ведь имена их
были неотделимы друг от друга, хотя сами они, по-
видимому, попадались на глаза солдатам порознь.
Так по чистому недоразумению были слиты воедино
геометр Гаспар Монж и химик Клод-Луи Бертолле,
ведавшие научной стороной военной экспедиции На-
полеона в страну фараонов.
Трудно сказать, чего больше в этом эпизоде: курь-
езной занимательности или глубокого символического
смысла. Тесная дружба химика-блондина и матема-
тика-брюнета была отнюдь не только проявлением
пылкого французского темперамента. Она стала зна-
мением целой эпохи, когда началось первое робкое
сближение и плодотворное взаимообогащение наук,
являющих на первый взгляд не меньший контраст,
чем брюнет и блондин, черное и белое.
Принято считать, что чернота и белизна вкупе
всегда дают серость. Дал*еко не всегда! Надо только
уметь присмотреться. Перелистайте еще раз доброго
старого Перельмана, этого волшебника, заронившего
не в одну ребячью душу искру интереса к сухой
и чопорной с виду, но удивительно щедрой к своим
избранникам старушке математике. Там чернььм по
белому значится (и в этом убедит вас незатейливый
оптический эксперимент), что именно наложение чер-
ного цвета на белый создает иллюзию блеска!.
(Иллюзию? Так, может статься, дружба химии
и математики тоже построена на иллюзиях
и столь же бесплодна, как и военная авантюра
генерала Бонапарта в стране фараонов? Давайте
присмотримся повнимательней.
Хорошо известно, что Гаспар Монж был не толь-
ко создателем начертательной геометрии — той са-
мой «начерталки», которую, ой, как не любят студен-
ты химических вузов. Ему принадлежат блестящие
экспериментальные работы по химии. Он успешно
занимался опытами по разложению воды, разрабаты-
вал способы извлечения из африканских песков се-
литры для выделки пороха. Совместно с Бертолле
он открыл «гремучее серебро» и опубликовал на-
ставление рабочим-металлургам, как выплавлять
сталь.
А Бертолле? Он тоже увековечил свое имя отнюдь
не одной бертолетовой солью, к которой, кстати, не
питают особых симпатий студенты-математики. Апте-
карь, увлекшийся химией и посвятивший ей всю
жизнь без остатка, он не получил специального мате-
матического образования. Но тем большего изумле-
14
ния достойна недюжинная математическая интуиция
ученого-химика, глубоко постигшего сущность дина-
мических равновесий механики, чтобы перенести эти
физико-математические представления на химические
системы.
«То было время, — писал Дюгем в своей биогра-
фии Монжа, — когда новая химия, выросшая из опы-
тов Лавуазье, распространяла повсюду свои идеи
и терминологию, а система молекулярных сил — при-
тягательной и отталкивательной — имела своим за-
конодателем Лапласа, применявшего в этой области
точные математические приемы».
Энциклопедически образованный ученый, Бертол-
ле был в курсе всего комплекса теоретических воз-
зрений, господствовавших в науке того времени. И ум
его захватила мысль, почерпнутая из геометрии
и анализа бесконечно малых величин. Бертолле дав-
но уже обсуждал ее со своими неразлучными дру-
зьями — Монжем и Лапласом. Непрерывность пре-
образований! Но только ли в математике? Быть мо-
жет...
Да, и в химии тоже!
Эта идея внезапно осенила ученого, когда он на-
блюдал кристаллизацию солей в натронных озерах
Египта. Он видел, что состав содовых осадков непре-
рывно изменяется в зависимости от внешних усло-
вий. Чем выше поднималось к зениту немилосердно
палящее африканское солнце, тем более жадно сли-
зывал прибой соленую белесую кайму вдоль побе-
режья. Когда над темными силуэтами древних пира-
мид недвижно нависали хрустальные блестки дале-
ких созвездий, соли снова выбрасывались на берег.
И химический состав их как в прибрежных водах, так
15
и в донных отложениях становился уже иным! Еще
заметнее был контраст между составом в летние
и зимние месяцы.
Не без тайных сомнений внимала аудитория уже
немолодому, имевшему заслуженный авторитет, н^
очень экспансивному и порывистому пришельцу из
далекой Франции, когда тот на заседании Египет-
ского института в Каире излагал свои соображения.
Шутка сказать: общепринятый взгляд иа химиче-
ское взаимодействие неверен!
Еще во времена мрачного средневековья в лек-
сиконе алхимии появился термин «химическое сродст-
во». Под ним адепты полуколдовского искусства под-
разумевали причины, побуждающие вещества к хи-
мическому взаимодействию и прочно удерживающие
разнородные элементы в соединении. В основе само-
го понятия «сродство» лежало предположение, что хи-
мический союз возможен лишь между родственны-
ми частицами, которые взаимно тяготеют друг к дру-
гу, подходя одна к другой, как ключ к замочной
скважине. Лишь в конце XVIII века наивные пред-
ставления алхимиков сменила стройная теория хими-
ческого сродства. Ее создал шведский ученый Берг-
ман. Преподаватель математики, ставший профессо-
ром химии и минералогии, он перенес в химию меха-
нистические идеи физики. Мельчайшие частицы ве-
щества притягиваются неодинаково потому, считал
Бергман, что их форма и расположение различны.
И частица подбирает себе такого партнера, с кото-
рым она соединяется легче, прочнее, лучше. Бергман
полагал, будто сродство между двумя реагирующими
веществами всегда остается постоянным и не зависит
от их количеств. А раз так, то реакция должна про-
16
текать только в одном определенном направлении.
Вспять она не может пойти независимо от того, како^
вы внешние условия.
— Нет! — сказал Бертолле. —- Это вовсе не про-
цесс, неотвратимо направленный всегда в одну сторо-
ну, от начала к концу, от взаимодействия исходных
веществ к выделению конечных продуктов. Это по-
движное равновесие, которое устанавливается в ре-
зультате двух параллельных реакции, идущих одно-
временно в противоположных направлениях! Но
самым парадоксальным казалось другое заключение
Бертолле. Исходя из непрерывности и обратимости
химического процесса, ученый пришел к убеждению:
состав образующихся соединений должен изменяться
тоже непрерывно, а значит... быть переменным!
Шел 1799 год. В это самое время в далекой Ис-
пании, отрезанной от Африки враждебной английской
эскадрой, заканчивал свое исследование другой заме-
чательный химик — Жозеф-Луи Пруст. У него была
великолепно оборудованная лаборатория в Мадриде.
По распоряжению министра Прусту для изготовле-
ния посуды предоставили почти 65 килограммов пла-
тины. Такого количества благородного металла не
видывали все испанские лаборатории, вместе взятые,
даже столетие спустя. И не только испанские. Изве-
стный шведский химик Берцелиус имел один-единст-
венный платиновый тигель. Да и то позаимствованный
у коллеги — Гисингера. Сложнейшие аналитические
процедуры с двумя тысячами веществ в этом драго-
ценном тигле принесли славу Берцелиусу. Легко себе
представить, насколько богаче были возможности
у Пруста. А его скрупулезности и тщательности мог
позавидовать сам Берцелиус.
2 Л. Бобров
17
Здесь, в спокойной обстановке королевской лабо-
ратории, испанский профессор провел тысячи экспе-
риментов, прежде чем отважился на публичное вы-
ступление. В нем он со всей убежденностью форму-
лировал закон постоянства состава.
I Да, идеи путешествуют без виз.
Так на рубеже двух столетий появились два раз-
ных ответа на один и тот же вопрос. Вопрос огромного
теоретического значения. Вначале авторы даже не по-
дозревали о работах друг друга. Но столкновение
двух диаметрально противоположных взглядов на
природу химизма было неминуемо. Мало-помалу
разгорается знаменитая полемика, «столь же замеча*'
тельная как талантом, так учтивостью и хорошим
вкусом. Как по форме, так и по содержанию это один
из прекраснейших образцов научной дискуссии», —
писал французский химик Дюма.
Восемь долгих лет длится публичный диспут, за
которым напряженно следит весь ученый мир. Сло-
вом и делом отстаивает Бертолле свою правоту. Он
проводит серию экспериментов, чтобы подтвердить
результаты, полученные в беспокойной походной об-
становке. Смотрите, говорит он, одни и те же метал-
лы соединяются с разными количествами кислорода.
К примеру, свинец. У его окисей пропорции между РЬ
и О образуют непрерывную последовательность.
Но Пруст бесстрастно и методично опровергает
доводы своего оппонента. Он доказывает, что Бертол-
ле оперирует плохо очищенными веществами. Что он
18
упускает из виду проверить, не с грубой ли смесью
имеет дело. Что его анализы не отличаются необхо-
димой точностью.
Пруст демонстрирует высший класс ювелирного
искусства в химии. Снова и снова придирчиво и бес-
пристрастно экзаменует он сам себя, пока не убеж-
дается в максимально возможной чистоте исследуе-
мых соединений. И вот результат: да, соединения
свинца действительно составляют ряд. По этот ряд
прерывен! Число членов в нем отнюдь не бесконечно,
а равно четырем. И каждый из четырех окислов свин-
ца всегда имеет один и тот же состав. Конечно, если
в образце присутствуют не индивидуальные вещест-
ва, а их смеси, то может показаться, будто элементы
и впрямь соединяются между собой в любых соотно-
шениях.
«Соединение есть привилегированный продукт, ко-
торому природа дала постоянный состав, — резюми-
рует Пруст. — Природа, даже через посредство лю-
дей, никогда не производит соединения иначе, как
с весами в руках, — по весу и по мере. От полюса
до полюса соединения имеют тождественный состав.
Их внешний вид может различаться в зависимости
от способа их сложения, но их свойства никогда не
бывают различными. Никакой разницы мы не видим
между окисью железа южного полушария и северно-
го; японская киноварь имеет тот же состав, что и у
испанской киновари; хлористое серебро совершенно
тождественно, независимо от того, происходит оно
из Перу или из Сибири; во всем свете имеется только
один хлористый натрий, одна селитра, одна серно-
кальциевая соль, одна сернобариевая соль. Анализ
подтверждает эти факты на каждом шагу».
2* 19
Почва уходит из-под ног Бертолле. Сколько фак-
тов «против» и хоть бы один «за»! Тогда парижанин
переводит экспериментальное состязание в термино-
логический спор. Что подразумевает мадридский уче-
ный, когда он говорит о смесях и соединениях? В чем
разница между ними?
Нельзя, конечно, утверждать, что такой поворот
дела смущает Пруста. Просто его осмотрительной на-
туре куда больше импонирует сухой язык цифр лабо-
раторного журнала, чем опасное витание в тумане
поспешных теоретических обобщений. Поэтому испан-
ский профессор ограничивается списком примеров.
Вот-де смеси, а вот химически индивидуальные со-
единения. И действительно, границы намечены четко!
20
Но тут Бертолле вводит в бой резерв, таившийся
до поры до времени в засаде. Растворы! Сумеет ли
Пруст доказать, что у них постоянный состав?
Увы, и это не спасает французского ученого. В оп-
ределении понятия «раствор» царил тогда сущий про-
извол. Смесь это или соединение? Четкого однознач-
ного ответа химия не знает. Лишь много лет спустя
появится менделеевская теория растворов.
14то есть истина? Так вроде бы, если верить
библейской легенде, спрашивал Понтий Пилат
у Христа. Бертолле не претендовал на святость,
но если бы он знал, что его идеи будут
распяты!..
К 1809 году для всех стала очевидной шаткость
позиций, занимаемых Бертолле. Его выводам сужде-
но крушение. Химики единодушно рукоплещут слав-
ной победе испанского ученого.
Идеи Бертолле, которые еще совсем недавно при-
влекали рой почитателей своей логической стройно-
стью, глубокой внутренней связью с математически-
ми теориями, дерзостью обобщений, теперь отвергну-
ты химиками. Выплеснуты за борт вместе со всеми
драгоценными крупицами истины, которые могли бы
дать всходы уже тогда, а не много лет спустя, как
случилось в действительности. Надолго забыто уче-
ние Бертолле о подвижном равновесии, которое лишь
через семьдесят лет обретет строгую математическую
формулировку в виде закона действующих масс.
Прочно забыто и то обстоятельство, что Бертолле,
утверждая в химии непрерывность, вовсе не отрицал
И
существования соединений с постоянным составом,
а считал их просто-напросто частным проявлением
своей более общей классификации. Но такова уж,
видно, жестокая логика непримиримой идейной схват-
ки: если победителей не судят, то побежденных су-
дят вдвое строже, вменяя им в вину любое инакомыс-
лие. Даже такое, которое при ближайшем рассмот-
рении могло бы стать ценным приобретением для са-
мих победителей.
Казалось бы, только что наметившаяся помолвка
химии и математики окончательно расторгнута. А хи-
мии уготовано идти своей дорогой, отгородившись
китайской стеной от строгих критериев точных наук.
Но нет, этого не происходит! Напротив, именно зако-
ну постоянства состава суждено начать эпоху мате-
матизации древнего пробирного искусства. Эпоху,
пришествие которой предсказывал еще Михаил Ва-
сильевич Ломоносов в «Элементах математической
химии».
Не успели еще зашуметь овации в честь Пруста,
а закон постоянства состава уже пережил свой но-
вый триумф. На этот раз открытие свершилось в да-
лекой туманной Англии. «Далекой» потому, что стра-
на Альбиона была практически отрезана Наполеоном
от остальной Европы задолго до провозглашения
в 1806 году континентальной блокады.
Рассеченная на куски военными конфликтами, Ев-
ропа не переставала жить в едином ритме научных
исследований.
Учитель математики Дальтон вовсе не был столь
виртуозным экспериментатором, как Пруст. Человек,
более близкий к абстрактным числовым соотношени-
ям, он проводил химические анализы куда грубее, за-
22
частую округляя полученные результаты. Пытаясь
проникнуть во внутренние механизмы химических
превращений, Дальтон стоял по духу гораздо ближе
к Бертолле, для которого главным стремлением был
теоретический поиск, подкрепленный математически-
ми приемами. Именно это помогло Дальтону сделать
следующий шаг — открыть закон кратных отношений.
Да, оказалось, что постоянство свойственно не
только составу соединений. Постоянными являются
и соотношения «паев», долей участия элементов в со-
единениях. Причем эти доли относятся друг к другу
как простые целые числа. Скажем, «паи» кислорода
в соединениях с азотом относятся друг к другу, как
1 : 2 : 3 :4 : 5. Ибо азот может соединяться с кислоро-
дом в пропорциях 2 :1, 2 : 2, 2 : 3, 2 :4. 2 : 5. Так и про-
сятся на бумагу формулы N2O (2:1), NO (1:1, или,
что то же самое, 2:2), N2O3 (2:3), NO2 (1:2,
то есть 2 : 4) и N2O5 (2 : 5).
Но в том-то и дело, что Дальтон не прибегал
к подобным обозначениям! Нет, не потому, что он,
учитель математики, был несведущ в вопросах хими-
ческой символики или вопреки общепринятым прави-
лам предпочитал оригинальничать, пользуясь своими
кружочками и треугольничками. Просто такой язык
еще не был создан. Он появился чуть ли не на десять
лет позже в трудах Берцелиуса. И появился в зна-
чительной мере благодаря тому, что Дальтон уста-
новил закономерность, названную его именем.
Закономерность, которую чуть было не вывел
Пруст. Диву даешься, как мадридский профессор не
стал автором сразу двух великих открытий, столь
тесно связанных своей внутренней логикой! Ведь он
блуждал в двух шагах от находки Дальтона!
23
Но ирония истории неистощима. v
И Бертолле и Пруст были вовлечены в водоворот
политических событий. Только по-разному сложились
судьбы оппонентов. Патриот и революционер, первый
стал впоследствии ярым приверженцем Наполеона.
Обласканный правительством, всемерно поощряемый
за успешные работы на благо победоносной империи,
Бертолле изведал всю горечь поражения в научной
полемике. А Пруст? Увенчанный славой первооткры-
ватель знаменитого закона постоянства состава пал
жертвой наполеоновской тирании. Не успел Пруст
подписать к печати последнюю работу из серии своих
блистательных исследований, как его постиг жесто-
кий удар. Мадридская лаборатория со всей ее кол-
лекцией платиновых приборов и химических соедине-
ний подверглась опустошительному разгрому фран-
цузскими войсками, подавлявшими антинаполеонов-
ское восстание испанского народа.
I Воистину ирония истории неистощима!
Самого профессора, к счастью, не оказалось в ла-
боратории. Его не было и в Испании. Он отдыхал
во Франции. Потрясенный случившимся, Пруст уда-
лился в захолустный городок. Влача полунищенское
существование, нелюдимый и гордый, он с презре-
нием отклонил предложение принять сто тысяч фран-
ков, которые выделил ему Наполеон, чтобы Пруст
смог внедрить свою технологию сахароварения.
Быть может, именно эти жизненные невзгоды по-
мешали Прусту обнаружить кратность атомных отно-
шений?
U
Если проследить его публикации во время вось-
милетнего спора с Бертолле, можно убедиться, что
ученый задолго до мадридской катастрофы был на
волосок от выводов, которые стали достоянием
Дальтона. И мог их сделать уже тогда... Мог. А вот
поди ж ты: не сделал.
Увы, наши недостатки зачастую не что иное, как
продолжение наших же достоинств. По свидетельст-
ву члена-корреспондента АН СССР Капустинского,
Прусту помешало как раз то, что обеспечило блиста-
тельную победу над Бертолле: «его осторожный и да-
же эмпирический подход, его привычка уж очень об-
стоятельно экспериментировать; особая тщательность
его анализов, отвергающая мысль об округлении ре-
зультатов».
Правда, у Дальтона было еще одно преиму-
щество. В своих расчетах он выражал состав не
в весовых процентах, как Пруст, а в атомных про-
порциях.
В самом деле, даже очень проницательному глазу
не так-то легко подметить какое-либо правило на
примере метана СН4 и этилена С2Н4, если состав обо-
их соединений выразить в процентах: у мета-
на 74,87 процента С и 25,13 процента Н, у этилена
85,63 процента С и 14,37 процента Н. Зато дело су-
щественно упрощается, если подсчитать количест-
ва С, приходящиеся в каждом углеводороде на один
«пай» Н. Они равны 2,979 для СН4 и 5,958 для С2Н4.
Эти числа относятся, как 1 : 2. Имейте в виду, повто-
ряю, что в те времена еще не существовало формул
типа СН4 или С2Н4, на которых сегодня основана вся
стехиометрия (количественные операции с формула-
ми и уравнениями).
25
I Любопытная мораль: как много может дать
химии дружба с карандашом, а не только
с пробиркой!
Казалось бы, особой разницы нет, как вычислять
состав соединений. Тем более что проценты так лест-
но зарекомендовали себя в экономических операциях!
Ан нет, традиционные мерки не всегда впору новым
явлениям.
В дальнейшем мы не раз встретимся с примерами
замечательных теоретических и практических успехов
в химии, которые стали результатами усовершенство-
вания — нет, не аналитических или синтетических
методов, не измерительной аппаратуры — математи-
ческого подхода.
Идея дискретности (прерывности) состава хими-
ческих соединений с железной логикой вытекала из
атомистических представлений. И законы Пруста
и Дальтона на целое столетие предопределили побед-
ный марш химии.
Атомно-молекулярное учение. Теория валентности.
Бутлеровская теория химического строения. Перио-
дическая система элементов Дмитрия Ивановича
Менделеева. Основы основ современной химии!
А краеугольные камни этих величественных зданий
были заложены Прустом и Дальтоном на обломках
идея Бертолле.
Из законов Пруста и Дальтона вытекали глубокие
философские следствия. Если химические тела соеди-
няются лишь в определенных пропорциях, значит чис-
ло таких химических комбинаций не может быть бес-
конечно велико. Азот с кислородом способен дать не-
исчислимое множество смесей. Но соединений только
пять: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5. Смеси этих окислов
могут опять-таки содержать самые разнообразные со-
отношения между количествами N2 и О2. Но если раз-
делить смесь, то в любой из составных частей пропор-
ции будут либо 2:1, либо 1:1, либо 2:3 и так далее.
Получится всего пять индивидуальных веществ.
От смеси ничего не останется. А раз так, то все мно-
гокрасочное царство бесчисленных минералов можно
разложить на конечное число более простых тел. Не-
ких неделимых первооснов материи. Так зародилось
понятие о химическом индивиде.
В свое время Бертолле, затеяв разговор о содер-
жании терминов «смесь» и «соединение», затронул
один из самых важных вопросов, которые когда-либо
волновали химиков.
Слово «индивид» заимствовано из латыни. Нечто
единое, неделимое, целостное — вот его смысл.
У каждой науки есть свой индивид, который слу-
жит главным предметом изучения. Скажем, в зооло-
гии это кошка, собака, слон, человек — любое суще-
ство. Расчлени индивид — и объявится новый объект
исследования, которым занимается уже иная наука.
Например, органами живого тела интересуется ана-
томия. Клеткой — цитология. Внутриклеточными
структурами — биохимия. И так далее.
А химия?
Еще Лавуазье подразделял химические тела на
простые и сложные. Первые состоят из одного эле-
мента. Вторые — из двух или более. Но лишь после
торжества идей атомистики стало ясно, что речь идет
о веществах, которые составлены из одного сорта
атомов или молекул.
27
Конечно, молекулу можно расщепить на атомы.
По тогда она прекратит свое существование как хи-
мический индивид. Правда, объявятся новые индиви-
ды — атомы. Но разве не ясно, что это часть цело-
го? Почему же одни химические индивиды (атомы),
соединяясь, способны образовать новые химические
индивиды (молекулы), а другие нет? А если попы-
таться объединить несколько сортов молекул, что бу-
дет? Химический индивид?
О ° о ,О О ° о* о
о_ • о • 2 о* о
ФО • М/-Ч Л
• • оо Ф о •© •
Нет, смесь! Если, конечно, молекулы химически не
взаимодействуют друг с другом. Так отвечал Пруст
своими опытами на каверзный вопрос Бертолле. Ведь
у каждой составной части, входящей в смесь, свои,
особые, неповторимые химические и физические
свойства. И постоянный неизменный состав.
Например, горсть солевых отложений со дна аф-
риканского натронного озера — смесь химических ин-
дивидов. А сода и поваренная соль, входящие в эту
смесь, — химические индивиды. Каждое из этих ве-
ществ представлено суммой одинаковых молекул.
Атомы же, объединенные в их молекулах, разные.
И пропорции у них неодинаковы.
Но почему так?^ Чем объяснить, что у природы две
разные арифметики — одна для смесей, другая для
28
соединений? Почему атомы в обычной смеси могут
находиться в любых соотношениях, а вступают в хи-
мический союз лишь в заранее предписанных дискрет-
ных пропорциях? Какая разница между силами, сла-
гающими атомы в молекулу, и силами, объединяю-
щими молекулы в цельное тело — твердое, жидкое
или газообразное?
Загадка химического индивида порождала десят-
ки других загадок. И химики с нетерпением и энтузи-
азмом принялись за дело.
«Разделяй и властвуй!» — под таким девизом
химия стала наводить порядок в мире атомов
и молекул.
Овладеть секретами химических превращений,
вникнуть в природу химических индивидов было не-
возможно без приготовления чистых препаратов. Од-
нако получить их оказалось делом нелегким. Погоня
29
за чистотой властно потребовала усовершенствовать
способы разделения смесей. И приемы контроля за
степенью загрязненности.
Исстари подметили люди: ложка дегтя портит
бочку меда. Пусть ложка вмещает 10 граммов.
А бочка — 1000 килограммов. Легко прикинуть за-
грязненность в этом случае: 0,001 процента. Не так
уж она и велика. А все же недопустима. Совсем про-
сто загрязнить вещество до такой степени. Зато на-
сколько труднее добиться подобной чистоты:
99,999 процента — три девятки после запятой!
Чтобы очистить воду от минеральных солей, ее
приходится дистиллировать — выпаривать и соби-
рать в специальную лабораторную посуду со всеми
предосторожностями. Даже многократная перегонка
и то едва ли обеспечит чистоту выше 99,99 процента.
А чтобы избавиться от заметных примесей углекисло-
го газа, азота и кислорода, попадающих в воду из
воздуха, немецкому химику Кольраушу понадобился
не один год!
И тем не менее попытки химиков получить сверх-
чистые вещества становились все упорнее и упорнее.
Многие годы, объявив войну примесям, терпе-
ливо, настойчиво проводили ученые свои экспери-
менты.
И тут обнаружились удивительные вещи. После
двадцати семи лет высушивания сероуглерод изменил
температуру кипения. Причем весьма заметно —
больше чем на треть! Раньше кипел при 49,5 градуса.
Так и было записано в справочниках. А стал кипеть
при 80! У бензола, который сушился восемь с поло-
виной лет, точка кипения подпрыгиулак на 26 гра-
дусов.
М
Мало того. С повышением чистоты веществ меня-
лись и химические их свойства. Угарный газ не горел
в кислороде. Водород не соединялся с хлором, гре-
мучий газ не взрывался, нашатырь не распадался,
как обычно при возгонке, на аммиак ц хлористый
водород. Вот что наделала простая операция — вы-
сушивание реагентов!
Это выглядело потрясающе. Впрочем, судите са-
ми. Точные науки немыслимы без измерений. Но лю-
бые измерения — это сравнение с эталоном. Напри-
мер, ртуть служит образцом при определении стан-
дартной единицы электрического сопротивления. Уд-
линение столбика ртути в термометре отмечает повы-
шение температуры. Ртуть работает и в манометрах.
Во всех этих случаях мы опираемся на постоянство
свойств чистого эталона. Только вот беда: они, ока-
зывается, не остаются неизменными! Например, девя-
тилетняя сушка приводит к тому, что у ртути темпе-
ратура кипения повышается на 62 градуса. 62 граду-
са! Наверняка и прочие свойства нашего жидкого ме-
талла зависят от степени очистки. В том числе элект-
ропроводность, удельный вес и способность расши-
ряться при нагревании.
Фундаментальнейшие физические константы ока-
зались в полной зависимости от чистоты веществ.
Иными словами, от того, насколько близко удалось
придвинуться к загадочному химическому индивиду.
И это еще не все!
Вот уравнение реакции: 2Н2 -}- О2 = 2Н2О. Все хи-
мические знаки написаны безошибочно. Тем не менее
перед нами фикция! По крайней мере идеализация.
Единой химической формулой можно изобразить
состав лишь идеально чистого вещества. Между тем
31
высушенные до предела водород и кислород не вза-
имодействуют. Выходит, чтобы реакция пошла, нуж-
ны примеси. Но тогда их участие в процессе придет-
ся описывать дополнительно еще одним уравнением!
Каким? Очевидно, тем, которое показывает участие
загрязнений во взаимоотношениях между химиче-
скими индивидами.
Вот и получается, что первоначальное уравнение
не отражает всей сложности описываемого им явле-
ния. И все же без языка формул и уравнении немыс-
лим прогресс химии.
Композитор записывает новорожденную мелодию
нотами: «до», «ре», «ми», «фа», «соль» и так далее.
Однако реальные звуки, соответствующие этим но-
там, никогда не бывают чистыми. Извлекаемые ли из
инструментов, рожденные ли голосовым аппаратом,
они всегда сопровождаются примесями обертонов.
Звуки чистые, без обертонов, — явление столь же ис-
ключительное, как и химический индивид. Однако не
будь нотной азбуки, что сталось бы с музыкальным
творчеством?
Так, пожалуй, и в химии. Именно введению сим-
волов в лабораторный обиход во многом обязана сво-
ими успехами теоретическая химия. Да и не одна
теоретическая (вспомните хотя бы органический
синтез!). Только очень скоро выяснилось, что хи-
мические формулы дают идеализированное представ-
ление о составе соединений и о характере взаимодей-
ствий.
1Так закон постоянных и кратных отношений
породил проблему химического индивида.
32
Мысленно представить себе, что такое химический
индивид, сравнительно легко. Вещество, составлен-
ное из одинаковых атомов или молекул. Результат
простой арифметической операции: чистое вещество
равно грязное вещество минус примеси. Мед, из ко-
торого удален деготь и который разделен на инди-
видуальные органические соединения. Но это теоре-
тически. А вот эскпериментально...
Химикам так хотелось взглянуть хотя бы одним
глазком, что же это за штука —- химический индивид.
Ведь его до сих пор никто не видел. Он существовал
лишь в воображении ученых. Даже Пруст в своих
тщательнейших анализах имел дело с веществами,
которые никак не назовешь абсолютно чистыми.
Правда, степень их загрязненности была ничтожной.
Ио ведь химический индивид — это стопроцентная
чистота! Ни одной чужеродной молекулы.
Бурно совершенствовались способы разделения
смесей и очистки веществ. А химический индивид ос-
тавался по-прежнему недосягаемым идеалом. Этаким
призраком в реторте. Но самое главное — трудно бы-
ло установить: пойман, наконец, призрак или нет?
Очистить вещество — титанический труд. Однако
это всего лишь полдела. Надо еще проконтролиро-
вать степень чистоты. Определить, какие примеси
и в каких количествах затаились где-нибудь в пота-
енных уголках исследуемого препарата. Вот тут и
начинаются утомительные и рискованные аналитиче-
ские процедуры. Рискованные потому, что очищенное
вещество очень легко загрязнить снова.
Известен случай, когда у одного ученого в ана-
лизируемых пробах обнаружилось золото. Его было
очень немного, но у аналитиков совсем иное мнение
3 Л. Бобров
33
на этот счет. Ничтожнейшие примеси порой сводят
на нет усилия целого коллектива. Но откуда взялось
золото? Вроде бы времена алхимии безвозвратно ка-
нули в прошлое. Долго выискивали причину. Оказа-
лось, следы металла были занесены в колбу самим
экспериментатором! А все потому, что ученый во вре-
мя опыта машинально поправлял очки в золотой
оправе.
Металлические зубы, кольца, маникюрный лак,
губная помада, запах духов — все это далеко не без-
обидные гости в аналитической лаборатории. Недо-
пустимо, например, определять малые количества
цинка, если на руки нанесен парфюмерный крем. Он
содержит окись цинка.
34
(Вопреки общепринятому представлению о взаи-
моотношениях между человеком и химикалиями
здесь приходится оберегать химические препара-
ты от человека» а не наоборот.
Посуда, самая что ни на есть чистейшая, как,
впрочем, и любая аппаратура, тоже способна слу-
жить источником загрязнений. И чем чище препарат,
тем он привередливее. Там, где имеют дело с особо
чистыми продуктами, на >чете каждая пылинка. Счи-
тается совершенно недопустимым, когда на 10 квад-
ратных сантиметров рабочей поверхности (площадь
большой почтовой марки!) приходятся две пылинки
за шесть часов. И пылинка не. должна быть по
размерам больше 0,005, миллиметра! Уместно напо-
мнить, что в одном стакане лондонского воздуха
больше пылинок, чем жителей во всей британской
столице.
Короче говоря, чистилище препаративной химии
оказалось бессильным обратить «нечистых» в «чи-
стых». Химический индивид не поддавался ни на ка-
кие ухищрения охотников за сверхчистыми. Но тем
больше распалял он воображение химиков. Его свой-
ства не давали им покоя. Неужели невидимка неуло-
вим? Но даже если это и так, то разве нельзя найти
косвенные методы изучения его свойств?
Поиск продолжался.
Тем временем все более пристальное внимание
охотников за чистотой стала привлекать... грязь. Да,
грязь — те самые зловредные примеси, которые по-
портили так много крови искателям химического ин-
дивида.
3*
35
Металлурги давно уже заметили, что примеси се-
ры или фосфора, даже незначительные, что-нибудь
около 0,1—0,05 процента, сильно меняли свойства
стали, делали ее ломкой, хрупкой. Некоторые загряз-
нения, наоборот, действовали на металл благотворно.
Известно, что проволока сечением 1 квадратный мил-
лиметр, изготовленная из очень чистого железа, вы-
держивает груз в 20 килограммов. А вот стальная
нить той же толщины — в 10, а то и в 20 раз прочнее!
Сталь не что иное, как загрязненное железо. В ней
от 0,2 до 1,7 процента углерода. Если углерода боль-
ше — перед нами чугун, если меньше — ковкое же-
лезо. Не стоит, пожалуй, объяснять, что такое ков-
кость. Важно лишь отметить, что от этого свойства
не остается и следа при переходе от железа к чугуну.
Чугун вовсе не уличишь в мягкотелости железа.
Между тем разница ничтожна — какие-нибудь пол-
тора процента углерода!
А сталь? Упругая, твердая, прочная, она куда ме-
нее податлива под ударами молота или штампа. Од-
нако, не обладая ковкостью железа, она не страдает
и хрупкостью чугуна. Какое несходство в механиче-
ских свойствах! И все на коротенькой дистанции —
от десятых долей до нескольких процентов углерода.
Откуда такие скачки? Какова роль углерода и про-
чих примесей?
Отнюдь не праздное любопытство двигало рукой
ученых, настраивавших все новые приборы для ис-
следования металлической структуры. Век стали под-
нимался над планетой в грохоте созидания и разру-
шения. Сверкающие колеи железных дорог перере-
зали континенты. Над свинцовой рябью рек нависали
ажурные фермы мостов. Паутина проводов опутыва-
36
ла небо. Острые кили могучих кораблей рассекали
океанские воды. Грузные стволы орудий зловеще по-
глядывали своими жерлами в лицо врагу. Всюду был
нужен металл, металл. И не просто металл. Металлу
требовалось придать особые качества, чтобы он, бу-
де ему придется сокрушать или строить, работал без-
отказно. Упругость, твердость, тягучесть, жаропроч-
ность, электропроводность, кислотоупорность —
сколько разных потребностей выдвигала практика!
I Ничего нет удивительного, что практика заинте-
ресовалась смесями. А теория? Какие у нее были
возможности?
Вот что писал в 1885 году русский ученый
В. Ф. Алексеев: «Как давно известны, например, мно-
гие металлы и как ничтожны наши сведения о спла-
вах их между собою! Для большинства сплавов да-
же не известно, будут ли они физически однородны
или нет... Между тем немало производилось самых
тщательных исследований над сплавами, и потому,
если сведения о них все-таки остаются очень неудов-
летворительными, то это зависит единственно от того,
что шли до сих пор чисто эмпирическим путем, без
всякой руководящей идеи».
Тщательно отполированная стальная пластинка —
разве что зеркало может соревноваться с ней своей
гладкой и однородной поверхностью. Но так казалось
лишь невооруженному исследовательскому оку. Стои-
ло нацелить на поверхность металла зоркий зрачок
микроскопа, как картина тотчас менялась. Сразу
37
бросались в глаза неровности, шероховатости, следы
непонятных вкраплений. Еще резче проявлялась не-
однородность структуры у шлифа — пластинки, под-
вергнутой специальной химической обработке, напри-
мер травлению кислотой. Металлография, зародив-
шаяся в дымной атмосфере сталелитейных заводов,
помогала решать многие насущные технологические
вопросы. Но еще больше вопросов она ставила —
и не только перед химией. Перед физикой тоже.
Что представляли собой мельчайшие ячейки
в стальном шлифе? Их было много; одни посветлее,
другие потемнее, они напоминали смесь разнородных
кристалликов. Крупинки углерода вперемешку с зер-
нами железа? Или нет? Если нет, тогда что?
В 1893 году мир облетела сенсация. Изобретатель
электрической печи Муассан сообщал, что ему уда-
лось получить искусственные алмазы. Он добавлял
к расплавленному железу графит и быстро охлаждал
полученную массу. Чугун, как известно, расширяется
при охлаждении. Образовавшаяся на поверхности
плотная корка стискивала раскаленное месиво. Раст-
воряя в кислотах застывший сплав, Муассан обна-
ружил крохотные кристаллики, напоминавшие алма-
зы своим видом и твердостью.
Первым усомнился в справедливости выводов Му-
ассана русский минералог П. Н. Чирвинский. Он на-
правил в «Бюллетень французского химического об-
щества» свое опровержение: Муассан получил вовсе
не алмазы! То были карбиды — соединения металла
с углеродом. Где там! Редакция отклонила работу
Чирвинского. Мотив: нежелание огорчать председа-
теля общества. Еще бы, ведь президентское кресло
занимал сам Муассан...
38
Другой журнал, нью-йорк-
ский, проявил не меньшую
щепетильность в вопросах на-
учной этики: «Американцам
не к лицу критиковать Муас-
сана». Деликатность или мра-
кобесие? Как бы то ни было,
Муассан вошел в историю как
создатель искусственных ал-
мазов. А наука еще долгие го-
ды оставалась в неведении:
какие явления сопутствуют
плавлению и отвердеванию чер-
ных и цветных металлов? Что
представляют собой сплавы —
смеси элементов или химиче-
ские соединения?
Что же придавало подат-
ливому тягучему железу то
упругую несокрушимость булатного клинка, то
хрупкую твердость чугунной статуэтки? Химические
соединения углерода с железом — карбиды? Но по-
чему тогда сплав имел мелкокристаллическую струк-
туру? Или сетчатая структура шлифа — смесь эле-
ментов? Одно зернышко железное, а другое... алмаз-
ное? А может, из графита? Или сажи? Ведь свобод-
ный углерод встречается в природе в виде трех ал-
лотропных видоизменений!
И не один углерод.
В 1912 году в снегах Антарктиды были найдены
дневники капитана Скотта, погибшего вместе с то-
варищами на обратном пути от Южного полюса.
Страницы, исписанные неверным почерком умираю-
39
щего, поведали людям трагическую историю мужест-
венных первопроходцев ледяного континента. Отлич-
но снаряженная экспедиция потерпела неудачу пото-
му, что ни с того ни с сего вдруг распаялись метал-
лические резервуары с керосином, лишив людей теп-
ла и горячей пищи.
Ни с того ни с сего? Ой ли! Нет, у всякого физи-
ческого явления есть свои причины.
При температурах ниже 13 градусов с оловом
может стрястись несчастье: металл заболевает. Обык-
новенное белое олово с удельным весом 7,3 переходит
в свою аллотропную модификацию — серый кри-
сталлический порошок удельного веса 5,7. Из-за раз-
ницы в плотностях объехМ металла увеличивается
на четверть. Понятно, что при таких метаморфозах
оловянный спай разрушается. Этот недуг металла
называется «оловянной чумой».
I Странно*, металл — и вдруг может заболеть!
Интересно (это факт): «здоровое» олово способ-
но по-настоящему заразиться от «чумного».
Первый диагноз «оловянной чумы» был поставлен
задолго до того, как экспедиция Скотта отправилась
в Антарктиду. Еще в конце XVIII века петербургский
академик Петр-Симон Паллас установил, что олово,
подобно мифическому Янусу, двулико. .Многолики
и другие элементы, например сера. Не удивительно
ли: перед нами совершенно различные вещества,
а изображаются они одним и тем же химическим сим-
40
волом? Добро бы речь шла о разных агрегатных со-
стояниях: твердом, жидком или газообразном. А то
ведь и серое олово и белое — оба твердые кристал-
лические тела!
И оба неразличимы по реакциям в пробирке. Ко-
роче, один и тот же химический индивид.
С каждым днем становилось все очевиднее: чисто
химических методов недостаточно, чтобы доскональ-
но разобраться в природе таких сложных систем,
как сплавы, и чтобы отграничить смеси от соедине-
ний, чистые вещества от примесей. Нужно было по-
дытожить и обобщить богатейший опыт, накоплен-
ный порознь смежными областями знаний, наметить
новые пути исследований. Нужен был могучий синте-
тический ум, чтобы слить в единый сплав разрознен-
ные идеи, сделать смелые, качественно новые теоре-
тические выводы.
Ученого с таким складом ума дала мировой науке
Россия.
...2 января 1914 года. Только что отпразднован
Новый год. Многим и невдомек, что над миром, как
и больше ста лет назад, вновь сгущаются грозовые
тучи. Пройдет несколько месяцев — и грудь много-
страдальной Европы перережут глубокие шрамы око-
пов. Заброшенные нивы ощетинятся всходами смер-
ти: штыками и колючей проволокой. В воздухе за-
свистит смертоносный металл, ядовитыми клубами
поплывут над землей боевые отравляющие веще-
ства...
И труд многих поколений химиков и металлургов
станет орудием кровавых преступлений империализ-
ма. Неужели это проклятье будет вечно висеть над
наукой?
41
Тогда еще ни один человек в мире не догадывал-
ся, что над зловещим ночным заревом войны зай-
мется заря новой жизни, возвещенной залпом «Ав-
роры».
А сегодня ничего не подозревающие ученые и пе-
дагоги съехались на свой обычный форум, чтобы об-
меняться мыслями и опытом, чтобы потолковать
о путях развития науки на благо мира и созидания.
Впрочем, форум не совсем обычный. На пригла-
сительных билетах значится: «I Всероссийский съезд
преподавателей физики, химии и космографии». Од-
нако знаменательно не то, что на нем впервые со-
брались вместе представители столь разных наук.
Наук, которые в те годы предпочитали идти каждая
своей дорогой, не нарушая границ, свято оберегав-
шихся столетними традициями. Именно здесь, в Рос-
сии, на этом съезде, впервые в мире будут сформу-
лированы революционные идеи, которые сообщат
мощный импульс научным исследованиям в совер-
шенно новом направлении.
На кафедру поднимается человек средних лет.
У него коротко остриженные волосы и пушистые гре-
надерские усы. Высокий лоб, проницательные, чуть
насмешливые глаза.
— В развитии наук существуют периоды, когда
накопление новых данных заставляет внимательно
вглядываться в историю прошлого, — начинает он. —
При неудержимом движении вперед назревает пот-
ребность в критическом рассмотрении главных поня-
тий, составляющих фундамент научного знания.
Аудитория слушает с нарастающим вниманием.
Еще we все знают этого скромно одетого человека,
имя которого вскоре прогремит на весь мир. Неко-
42
торые слушатели еще раз украдкой заглядывают
в список докладчиков: «Акад. Н. С. Курнаков. Со-
единение и химический индивид».
1Само собой разумеется, этому докладу предше-
ствовали долголетняя исследовательская работа
и многочисленные публикации Курникова, а так-
же его сподвижников и учеников,
— ...для химии беспримерный рост фактического
материала, неожиданные открытия новых областей
требуют пересмотра наших воззрений на логическую
структуру таких понятий, как элемент, соединение,
раствор, индивид, которые, казалось бы, установлены
с незыблемой прочностью великими основателями
нашей науки.
Докладчик вспоминает знаменитый спор между
Бертолле и Прустом.
— Установление закона кратных отношений и
тесно связанной с ним атомистической теории состав-
ляет эпоху в истории химии. До тех пор не делалось
принципиального различия между понятиями соеди-
нения и однородной смеси. Если же «истинные» сое-
динения обладают постоянным составом, то, конечно,
главной задачей химии должно стать их,всесторон-
нее изучение. Этим были заранее указаны объекты
исследования и определена область развития химии
как точной науки на целое столетие вперед.
Пока что выступающий говорит общеизвестные
вещи. Но вот педагоги начинают переглядываться и
что-то быстро писать в толстых блокнотах.
43
— Закон постоянных и кратных отношений явил-
ся приложением учения о целых числах в химии.
Атомистические формулы с целочисленными значе-
ниями для атомных долей сделали это приложение
необыкновенно простым и наглядным. При таких
условиях состав соединений получил совершенно оп-
ределенное числовое выражение и само понятие
о химическом соединении стало понятием математи-
ческим.
I Между прочим, и математики (Куммер, Минков-
ский) неоднократно подчеркивали тесную связь
между учением о составе химических соединений
и общей теорией чисел.
Математические операции с целыми числами, за
которыми стояли «неделимые» атомы, позволяли про-
верять и даже предвидеть состав сложных тел.
И усилия химиков, направленные на поиски и иссле-
дование подобных веществ, увенчались блистатель-
ным успехом. Достаточно напомнить, что теперь из-
вестно более 300 тысяч веществ, подчиняющихся за-
конам Пруста и Дальтона. Это неминуемо вело уче-
ных к убеждению, что постоянство состава — глав-
ный индивидуальный признак, характеризующий
истинные объекты химического изучения. Таким те-
лам присвоили звание «химических индивидов». По-
степенно термины «соединение» и «индивид» стали
равнозначными.
Но если стать на эту классическую точку зрения,
то за бортом понятия «индивид» останется масса
других веществ, которыми тоже занимается химия!
44
Нет, объектом изучения в химии не могут быть одни
лишь соединения постоянного состава. Тогда что же?
Напряжение в аудитории нарастает.
— В реальной действительности, — подчеркивает
ученый, — непосредственный изначальный объект
химического или, правильнее, физико-химического
изучения — фаза. Понятие фазы является более об-
щим, чем современный химический индивид, соответ-
ствующий, как мы видели, только веществам посто-
янного состава или определенным соединениям; оно
обнимает также и громадный класс однородных тел
переменного состава или растворов. Обширную ка-
тегорию растворов обыкновенно относили к физически
однородным смесям и ставили особняком. Между тем
учение о фазах не делает принципиального различия
между телами постоянного и переменного состава.
...Чеканные в своей научной тяжеловесности, эти
фразы, чего доброго, могут и отпугнуть непосвящен-
ного. А сколько-живых человеческих драм, сколько
раздумий бессонными ночами, успехов и неудач, на-
дежд и разочарований, титанического труда скры-
вается за любым выводом, выстраданным в жарких
теоретических схватках, в многолетней черновой ра-
боте экспериментатора!
Казалось бы, нет и не может быть даже тени со-
мнения в безграничной справедливости закона, кото-
рый триумфально прошел сквозь целое столетие и
выдержал испытание временем. Как не возбуждав-
шая сомнений реальность и неделимость атомов, над
химией императивно и безоговорочно довлело пред-
ставление о химическом индивиде, подчиняющемся
кодексу Пруста—Дальтона. Всякий, кто посмел бы
поднять руку на монопольное господство закона по-
45
стояяных и кратных отношений, был бы немедленно
предан анафеме. И надо же было так случиться, что
идеи Бертолле, похороненные Прустом, возродились
вновь, словно сказочная птица Феникс из пепла!
Еретики сыскались. В 1887 году традиционный
взгляд на химический индивид получил первый но-
каут от Дмитрия Ивановича Менделеева. В моногра-
фии, посвященной растворам, ученый писал: «Грани
нет между этими явлениями и чисто химическими».
(Обратите внимание: это слова великого созда-
теля периодической системы, которая сама зиж-
дется на законе постоянных и кратных отно-
шений!
И вот теперь, на съезде физиков, химиков и кос-
мографов, вновь раздвигаются тесные рамки класси-
ческих истин.
Как химия проигрывает в изоляции от физики, так
и сугубо химическое толкование термина «химиче-
ский индивид» слишком бедно, чтобы исчерпывать
собой объект исследования в химии. Понятие «хими-
ческий индивид» неотделимо от понятия «фаза».
Фаза... Этот термин отлично знаком каждому хи-
мику. Мы говорим «фазы Луны», «фазы развития»,
подразумевая различные формы одного явления, ме-
жду которыми пролегает некая грань. Несколько
иначе в химии. Например, серое олово и белое. Это
две разные фазы. Только грань между ними не вре-
менная, а пространственная. Кристаллики одного
и второго вещества отграничены поверхностями раз-
дела. Алмаз, графит, сажа. Три фазы. Каждая отли-
46
чается от другой набором несхожих свойств. А веще-
ство одно!. Разумеется, с точки зрения химии. По
прежним представлениям именно олово или углерод
должны как химические индивиды служить объек-
тами химического исследования. А по новым — каж-
дая фаза. То же самое относится к воде и поваренной
соли, взятым порознь. А если вместе?
Соленые морские волны, да и любой иной раствор
однородны. Значит, это одна фаза, хотя в ней сли-
лись несхожие вещества. Стоит, однако, кристаллам
соли выпасть из пересыщенного раствора, как си-
стема тотчас становится двухфазной. А если выде-
ляются из раствора сразу две соли — то и трехфаз-
ной. Пример: натронные озера в Египте с солевыми
отложениями, изучением которых занимался еще
Бертолле. Неспроста, видать, ставил перед своим
47
испанским коллегой великий французский химик во-
прос о разнице между смесью и соединением!
Пруст не дал вразумительного ответа на вопрос
Бертолле, Но не потому, что не хотел. Не мог. Этого
не позволял сделать уровень тогдашних знаний.
Лишь семьдесят лет спустя было впервые введено
четкое представление о фазах и фазовых равнове-
сиях.
Фазовые равновесия окружают нас повсюду.
На дворе зима. Стужа такая, что капли воды
превращаются в лед, не долетев до земли. И все-таки
хозяйка вывешивает свежевыстиранное белье су-
шиться. Прямо на мороз! Из повседневного опыта
она твердо усвоила, что холод сушке не помеха. Сы-
рые рубашки затвердеют, что рыцарские латы, про-
стыни загремят, как жестяные противни. А все же
рано или поздно количество влаги в них уменьшит-
ся. Лед испаряется. Точнее, сублимирует, возгоняет-
ся: не превращаясь в жидкость, сразу же переходит
в пар. При определенных атмосферных условиях
в двухфазной системе лед — пар наступит равновесие*!
Количества молекул воды — тех, что покидают по-
верхность ледяных кристалликов, и тех, что возвра-
щаются на нее, — уравняются. Белье больше сохнуть
не будет. Придется досушивать утюгом.
Утюг расплавит лед, нагреет воду, заставит ее
испаряться. На какое-то мгновенье возникнет систе-
ма лед — вода — пар (три фазы). И тут же утратит
равновесие. Однако клубы пара, вырывающиеся из-
под утюга, сделают комнатный воздух сырым. Окон-
ные стекла запотеют. И если скорости испарения
и конденсации станут одинаковыми, система вода —
пар снова очутится в равновесном состоянии.
48
Но вот на улице похолодало. Окно заиндевело.
Правда, рядом со снежными блестками на стекле
сверкают капельки воды. Опять перед нами система
лед — вода — пар.
Такие процессы сплошь да рядом протекают
в гигантской лаборатории природы.
Грозовые облака в наших широтах — это бу-
шующие водовороты, где зачастую сосуществуют гра-
дины, дождевые капли и водяные пары. Там можно
найти все четыре вида равновесий: лед—пар, лед —
вода, вода — пар и лед — вода — пар. Последнее
самое капризное. Оно устойчиво лишь в одном слу-
чае: когда температура системы ноль градусов, а дав-
ление водяных паров над ней равно 4,58 миллиметра
ртутного столба. Стоит измениться показаниям хотя
бы одного из приборов — термометра или баромет-
ра, как система тотчас теряет равновесие и из трех-
фазной переходит в двухфазную. Например, либо лед
целиком растает, либо вода замерзнет полностью.
Двухфазной системе проще сохранить равнове-
сие. Здесь нет таких жестких ограничений.
В нашем примере фигурировала однокомпонент-
ная система. Она состояла из одного вещества — во-
ды, только в разных агрегатных состояниях. А ведь
система может быть и многокомпонентной. Море,
в котором плавает айсберг, — именно такая система.
В воде растворены соли. И они способны выпадать
из раствора! Правда, в море это случается редко.
Разве что в Мертвом. Зато в соленых озерах Егип-
4 Л. Бобров
49
та — регулярно. Значит, число составных частей си-
стемы будет уже не единица (вода), а два или
три — в зависимости от количества веществ, осаж-
дающихся на дно. Можно представить себе такую
картину: соль под айсбергом. Перед нами система
соль — лед — раствор — пар. Интересно, при каких
условиях равновесие устойчиво?
В свое время Гиббс вывел правило фаз. По нему
можно найти, сколько у системы степеней свободы:
F = п + 2 — г. Здесь п число компонентов. Оно
в нашем примере равно 2 (вода плюс соль). Аг —
число фаз. Их у нас 4 (кристаллы соли, раствор, лед,
пар).
Посмотрим, чему равно число степеней свободы:
Г = 2 + 2 — 4. Нулю! И так всегда. Присутствие
в системе всех возможных фаз требует уникального
сочетания условий. Нарушение хотя бы одного из
них выводит систему из равновесия. Одна из фаз
обречена на гибель. Зато появляется новая степень
свободы. Иными словами, можно варьировать один из
параметров (давление, температуру, концентрацию),
сохраняя равновесие между остальными фазами.
В двухкомпонентной системе соль — лед — раст-
вор — пар концентрация раствора тесно взаимосвяза-
на с давлением и температурой.
Известно, что точка замерзания раствора ниже,
а температура его кипения выше, чем у чистого рас-
творителя. Давление паров над раствором тоже иное.
Стало быть, состояние системы зависит от ее состава
(в нашем случае от концентрации растворенного ве-
щества). С другой стороны, концентрация сама за-
висит от внешних условий. Столбик ртути в термо-
метре пополз вверх — растворимость соли растет.
50
Концентрация тоже. А солевой осадок начинает по-
тихоньку исчезать. Равновесие нарушено. И только
при одном-единственном значении состава, которое
соответствует определенному сочетанию остальных
параметров, в нашей системе будут сосуществовать
бок о бок все четыре фазы.
Столь уникальный режим — явление редкое
в природе. Обычно температура меняется в широ-
ких пределах. От дня к ночи, от сезона к сезону.
И все равно система стремится к равновесию. Пусть
исчезла одна из фаз. Скажем, лед растаял. Количе-
ство растворителя увеличилось. Это вызвало пони-
жение концентрации раствора. Немедленно соль на-
чинает переходить в раствор. Так продолжается до
тех пор, пока не восстановится равновесие. Правда,
уже в трехфазной системе: соль — раствор — пар.
При дальнейшем нагревании система опять будет
сама регулировать равновесие, изменяя состав.
Получается, что система проходит через непре-
рывный ряд равновесных состояний. И все условия
здесь однозначно связаны между собой какой-то
определенной функциональной зависимостью. Заме-
чательна эта гармония физических и химических сил!
1Но можно ли алгеброй поверить гармонию? Если
да, как? И только ли в растворах? А в сплавах?
Решению этих вопросов посвятил всю свою жизнь
творец физико-химического анализа Николай Семено-
вич Курнаков. Пересмотрев бытовавший в науке
взгляд на химический индивид, он раздвинул горизон-
ты химических исследований. Десятилетиями препара-
4*
51
тивная химия занималась погоней за идеально чи-
стыми соединениями постоянного состава. Изучение
их свойств считалось главной целью химии. А смеси,
сплавы, растворы, которые саботировали закон по-
стоянных и кратных отношений, неизбежно остава-
лись вне поля зрения химии. Между тем с практи-
ческой точки зрения они представляли зачастую
куда больший интерес. Однако их исследование тре-
бовало свежего подхода, где аналитическая сноров-
ка классической химии сочеталась бы с новыми инст-
рументальными методами физики.
Такой подход дал физико-химический анализ. Пе-
ренеся центр тяжести на исследование фазы, новые
методы позволили изучать химические индивиды,
даже не выделяя их из смесей в абсолютно чистом
состоянии. Более того: оказалось, что некоторые хи-
мические индивиды вообще невозможно выделить из
системы. Вот уж где действительно химия столкну-
лась с самыми настоящими призраками! То, что они
реально присутствуют в системе, физико-химический
анализ доказывает со всей непреложностью. А в ин-
дивидуальном состоянии они не существуют!
Свежий взгляд открыл богатейшие россыпи тео-
ретических находок, что до поры до времени лежа-
ли незамеченными прямо под ногами у химиков.
IA дал ли что-нибудь физико-химический анализ
практике?
...«Кара-Бугаз» по-туркменски означает «черная
пасть». Наподобие пасти залив беспрестанно сосет
воды моря...
52
...прямой долг обязывал нас войти в это устра-
шающее горнило Азии. Тихим ходом мы двинулись
в пролив, увлекаемые течением, и отдали якорь не
ранее, чем ‘ синяя морская вода сменилась мертвой
и серой водой залива.
...Придурковатый наш кок отпросился искупать-
ся, но залив его не принял. Он высоко вскидывал
его ноги, и при всем тщании кок погрузиться в воду
не смог. Это повеселило команду и улучшило не-
сколько ее дурное расположение. Кок к вечеру по-
крылся язвами и утверждал, что вода залива являет
собой разбавленную «царскую водку»...
Все берега пустынны и не имеют пресной воды.
Мною не было обнаружено ни единого ручья, како-
вой впадал бы в это поистине мертвое море...
53
При подходе к заливу оный рисуется в виде ку-
пола из красноватой мглы, пугающей с давних вре-
мен мореплавателей. Полагаю, что явление это объ-
ясняется сильным испарением воды Кара-Бугаза.
Надлежит помнить, что залив окружен раскален-
ной пустыней и является, если будет уместно это
сравнение, большим котлом, где выкипает каспий-
ская вода.
Грунт залива весьма примечателен: соль, а под
ней известковая глина.
Соль, полагаю, особенная, не того состава, что
обыкновенная, употребляемая в пищу и для засола...»
Так живописал залив Кара-Богаз-Гол в 1847 году
путешественник лейтенант Жеребцов. В официаль-
ном донесении Гидрографическому управлению он
делал категорический вывод:
«На основании всего сказанного, я позволю себе
заключить, что побережья залива Кара-Бугазского,
как и самый залив, лишены какого бы то ни было
интереса государственного».
Мрачным пессимизмом, тоскливой безысходностью
веет от каждой фразы лейтенанта Жеребцова. Нет,
автора этих строк нельзя обвинить в малодушии.
Бывалый моряк, человек недюжинного мужества и
трудолюбия, он честно и с горечью поведал о резуль-
татах своего нелегкого путешествия.
Неужели «черной пасти» Кара-Богаза удалось на-
веки отпугнуть от себя человека?
Вот передо мной письмо другого исследователя,
датированное 12 декабря 1921 года:
«Глубокоуважаемый и несказанно дорогой Нико-
лай Семенович...
Да, много надо сил и мужества, как Вы справед-
54
ливо указали в своем письме, чтобы жить здесь Ц
бороться за спасение научного исследования Кара-
Бугаза и за возможность хотя бы отчасти выполнить
намеченные работы. Мы еще в проливе и не можем
выйти в залив из-за отсутствия плавучих и живых
сил. Только любовь к Кара-Бу газу может заставить
ехать и не доехать до пего в течение 5 месяцев, на-
деясь все же быть там. Пока удается производить
гидрологические и гидрометеорологические работы
в проливе, отдельными выходами наблюдать начало
выбросов соли и температуру воды в заливе, произ-
водя химические анализы проб воды и образцов
соли, приносимых с берегов залива... Работ по обез-
воживанию, к сожалению, не производится за отсут-
ствием каких-либо материалов и устройств. Есте-
ственное обезвоживание в настоящее время, конечно,
немыслимо: страшно сыро, и идут хотя и небольшие,
но почти ежедневные дожди. Температура воздуха
скачет от -Н2 до —2,5° при постоянных ветрах. Все
же надеюсь по снятии катера с мели, на которую он
сел 10.XI, отправиться в залив для производства
работ».
Чувствуется, что человек пришел сюда не как ту-
рист, который с известной долей отваги решил посе-
тить и описать экзотический уголок природы. Нет,
за отрывистыми строчками письма вырисовывается
бескорыстие самоотверженного труженика, убежден-
ного в пользе начатого дела для своего народа,
неутомимая жажда исследователя, сменившего удоб-
ную лабораторию на шаткую палубу старенького
суденышка, несгибаемая воля патриота, идущего
сквозь опасности в трудный поход ради освоения
еще одного «белого пятна» на карте Родины. И это
55
в годы, когда страна, пережившая мировую и граж-
данскую войны, задыхалась от неимоверной транс-
портной и промышленной разрухи, от ужасающей
нищеты и бесхлебья, от недостатка самых элемен-
тарных вещей, не то что тонкой исследовательской
аппаратуры...
Кто же он, этот человек, с такой искренней тепло-
той отвечавший на письмо академика Курнакова?
Горный инженер Николай Иванович Подкопаев.
В широко известной читателям повести Константина
Паустовского «Кара-Бугаз» ему посвящена целая
страница текста... из ста тринадцати. Что же касает-
ся академика Курнакова, который был не просто
вдохновителем, организатором, но и самоличным
участником наступления на Кара-Богаз-Гол, то тщет-
но будет искать читатель его имя в прекрасной по-
вести Паустовского.
Правда, смешно считать «Кара-Бугаз» историче-
ским справочником. У писателя были совсем иные
цели. О них поведал Константин Паустовский в сво-
ей книге «Золотая роза».
«...Когда я работал над «Кара-Бугазом», я думал
главным образом о том, что многое в нашей жизни
можно наполнить лирическим и героическим звуча-
нием и выразить живописно и точно. Будь то повесть
о глауберовой соли или о постройке бумажной фаб-
рики в северных лесах».
Из-под пера замечательного советского писателя
вышла увлекательная поэма об одном из настоящих
«чудес света», о делах и мечтах человеческих.
(Право же, не ради торжества исторической
правды затеян наш рассказ,
56
Разве не увлекательно путешествовать по слож-
ным историческим лабиринтам, которыми шли науч-
ные идеи, прежде чем они вылились в сухие строки
учебника? Ведь если копнуть поглубже, за любой
формулой, за любым выводом откроется полная дра-
матизма эпопея, которая достойна подлинно «Па-
устовской» кисти! И побольше бы таких книжек, как
«Кара-Бугаз». Они отучают смотреть па многие
«обыденные вещи» холодным, безразличным взгля-
дом. А там — кто знает? — из искорки чисто чита-
тельского любопытства, глядишь, разгорится неуга-
симое пламя исследовательской жажды...
«Кара-Бугаз» — одна из тех редких книжек, где
нечего ни убавить, ни прибавить. И все же, уж коли
речь зашла об истории обуздания «черной пасти»,
наверное, стоило бы помянуть, что не кто иной, как
Курнаков, еще в 1909 году предложил направить
исследовательскую группу во главе с Подкопаевым
на Кара-Богаз-Гол. «Исследования, проведенные под
непосредственным руководством академика Курнако-
ва, — писал впоследствии Подкопаев, — дали воз-
можность коренным образом изменить взгляд на Ка-
ра-Бугаз, как неисчерпаемое месторождение глаубе-
ровой соли».
И не кто иной, как Курнаков, своими работами
обратил внимание на огромное промышленное зна-
чение освоения Кара-Богаз-Гола для России.
«Действительно, — доказывал Николай Семено-
вич, — необычайная и единственная в своем роде
мощность месторождения, относительная легкость до-
бычи и дешевизна сообщения ставят Кара-Бугаз на
первое место среди других источников сернонатрие-
вой соли не только в нашем отечестве, но и в це-
57
лом мире. Ввиду громадных запасов сернонатриевой
соли в Кара-Бугазе и горьких озерах Арало-Каспий-
ского бассейна изучение методов использования на-
званного вещества составляет одну из основных
задач русской химической технологии. Сюда отно-
сятся: добывание соды и серной кислоты, получение
сернистых, серноватистых солей, замена угленатрие-
вой соли в стекольном, глиноземном и других произ-
водствах».
Добавим: серная кислота — важнейшее сырье
в производстве полимеров и удобрений.
Неисчерпаемая кладовая богатств! И это тот са-
мый Кара-Богаз, которому лейтенант Жеребцов твер-
дой рукой подписал свой приговор... Но даже если
бы бравый лейтенант оказался более проницатель-
ным, тогдашней химии все равно не по плечу ока-
залось бы овладение «котлом, где выкипает каспий-
ская вода». Лишь физико-химический анализ вручил
науке надежные методы изучения подобных систем.
| Механизм осаждения соли в заливе — каков он?
Много разных солей содержат воды Кара-Богаза.
Но главные составные части рассола: поваренная
сольг сернокислый натрий и хлористый магний. Ана-
лиз во время экспедиций дал интересные результаты.
Концентрация соли в Кара-Богазе в десятки раз
выше по сравнению с Каспием. И соотношение
между компонентами иное. В водах залива доля сер-
нокислого натрия возрастает, а поваренной соли па-
дает. В чем дело? Курнаков сделал вывод, что суль-
58
фат натрия выпадает из раствора в процессе обмен-
ной реакции: MgSO4 + 2NaClz±MgC12 + Na2SO4.
Разбираясь в фазовых равновесиях, читатель уже
сталкивался с четырехфазной системой «айсберг
в море»: соль — лед—раствор — пар. Система была
двухкомпонентной: поваренная соль + вода. В присут-
ствии всех четырех фаз число степеней свободы —
помните? — равнялось нулю. Но нас не интересует
столь редкостное стечение обстоятельств (во всяком
случае, для Кара-Богаз-Гола). Разберем лучше тот
случай, когда температура изменяется, оставаясь все
время выше 0 градусов. У системы появляется лиш-
няя степень свободы. Одна из фаз (лед) исчезает.
Остаются солевой осадок, раствор и пары над ним.
И до тех пор пока на дне лежат кристаллы соли,
раствор при любых температурах останется насыщен-
ным. А если солевой осадок не так уж велик? Тогда
в какой-то момент он может раствориться целиком.
При дальнейшем нагревании системы (теперь уже
двухфазной) раствор окажется ненасыщенным. Ины-
ми словами, дальнейшему повышению температуры
уже не будет однозначно отвечать рост концентра-
ции. Равновесная система раствор — пар утратит
зависимость еще от одного параметра — концентра-
ции. И, следовательно, обретет дополнительную сте-
пень свободы.
Реальная картина равновесий в любом море, ко-
нечно, сложнее. Там, помимо поваренной соли, в воде
растворены многие другие соединения. Правда, их
количества незначительны сравнительно с ее концен-
трацией. Так что пренебречь ими — грех не велик.
Иное дело рассол Кара-Богаз-Гола. Здесь нельзя не
учитывать присутствие сульфата магния. Тем более
59
что он не просто присутствует, а еще вступает
с поваренной солью в обменное взаимодействие:
MgSO4 + 2NaCl^Na2SO4 4- MgCl2.
Пара взаимно противоположных стрелок — обо-
значение химического равновесия. Процесс течет
в обе стороны.
Нечто в этом^же роде наблюдал и Бертолле во
время египетской "кампании Наполеона. Именно тогда
ученый сделал вывод, что химическое взаимодей-
ствие — процесс обратимый. В это было трудно по-
верить. Ведь большинство реакций, с которыми хи-
мики имели дело, шло, как правило, в одном направ-
лении.
Опустите в раствор медного купороса стальное
перо. Через несколько минут оно покроется золоти-
стым налетом меди. Зато вспять процесс Fe 44
4- CuSO4 —> FeSO44-Cu сам собой не идет. Если
в раствор ляписа добавить поваренной соли, реакция
закончится в тот момент, когда, практически все азот-
нокислое серебро превратится в хлористое: AgNOa +1
NaCl —> AgCl 4- NaNOa. Выпадет белый творожи-
стый осадок. А если поджечь гремучую смесь, то взрыв
приводит к образованию воды: 2Н2 4- О2—► 2Н2О.
Два газа порождают жидкость. И во многих других
случаях продукт удаляется из сферы реакции. Волей-
неволей казалось, будто процесс завершается лишь
с окончательным превращением исходных реагентов
в конечные продукты. На самом деле это не так.
Бертолле был все-таки прав, утверждая, что
в любом случае устанавливается равновесие
между прямой и обратной реакциями.
60
Правда, равновесие может быть сильно сдвинуто.
Настолько сильно, что практически все исходные ве-
щества превратятся в конечные продукты. Но все
зависит от условий реакции.
Если хорошенько нагреть водяные пары (до
2000 градусов), начнется расщепление воды: 2Н2О—►
—► 2Н2 + О2. Но одновременно будет протекать и реак-
ция соединения: 2Н2 + О2—>2Н2О. Процесс обратим.
То же самое „справедливо и для взаимодействия
N2+3H2 ^2 2NH3. Когда скорости прямой и обрат-
ной реакций одинаковы, устанавливается равновесие.
Математическое выражение для скорости реакции
было найдено в 1864—1867 годах норвежскими уче-
ными К. Гульдбергом и П. Вааге. Оказывается, ско-
рость пропорциональна произведению степеней кон-
центраций. Слово «степень» здесь имеет прямой ал-
гебраический смысл. Возьмем, к примеру, реакцию
2Н2 + О2 —*2Н2О. Ее скорость V! = ^i[H2f [О2]; k{ —
некая постоянная величина. Она зависит лишь от спо-
собов выражения концентрации наших реагентов Н2
и О2. Величина Н2 взята в квадрате потому, что сте-
хиометрический коэффициент в уравнении реакции
2Н2 4- О2—* 2Н2О равен 2. Если он равен 3, то соот-
ветственно концентрацию следует брать в кубе.
(Например, для взаимодействия N2 4- ЗН2 —> 2NH3.)
И так далее. Скорость обратной реакции 2Н2О —>
—* 2Н2 + О2, очевидно, выразится следующим равен-
ством: V2 = /?2[H2O]2.
Теперь предположим, что у нас установилось рав-
новесие: N2 + ЗН2 2NH3. Это значит VT=V2. То
есть &j[N2] [Н2]3 = 62[NH3]2. Проделаем с этим равен-
ством несложную математическую процедуру:
1N2]|H2]3 = ^2
lNH3p л/
М
k 2
Отношение постоянных величин — неизменно.
Заменим его ради простоты одной буквой Л. Это так
называемая константа равновесия
(Читателю предлагается набраться терпения и
с карандашом в руках проштудировать этот
кусок. Все понятия и формулы нам пригодятся
при чтении последней главы.
Полученное соотношение выражает закон дей-
ствующих масс. Так одна из идей Бертолле обрела
четкую математическую форму.
Из закона действующих масс вытекают любопыт-
ные следствия.
Во-первых, состояние равновесия не зависит от
того, какие реагенты мы берем в качестве исходных.
Скажем, в реакции N2 + ЗН2 2NH3 мы по тради-
ции считали исходными веществами азот и водород.
Конечным продуктом — аммиак. Но можно взять
смесь аммиака с водородом. Или с азотом. Наконец
смесь всех трех участников взаимодействия. И в ка-
ких угодно пропорциях. Все равно, как только
наступит равновесие, соотношение концентраций из-
менится так, что равенство а== будет неукосни-
тельно соблюдено.
Второй вывод из закона: если в равновесную си-
стему добавить какое-то количество одного из компо-
нентов, равновесие немедленно сместится. Нельзя
62
увеличить или уменьшить ни одной из концентраций,
чтобы не вызвать изменения остальных.
Положим, мы добавили водорода. Это немедленно
подстегивает скорость прямой реакции. Равновесие
утрачено. Правда, ненадолго. Прямая реакция уве-
личивает выход аммиака. Но рано или поздно снова
наступает равновесие. И опять соотношение «дей-
ствующих масс» будет удовлетворять формуле К
Тому же значению Л, что и в исходной стадии — до
введения водорода.
Вся эта динамика химических равновесий усколь-
зала от внимания ученых, загипнотизированных зако-
ном Пруста — Дальтона и гармонировавшей с ним
идеей однобокой направленности химических процес-
сов. Физико-химический анализ, напротив, во главу
угла поставил учение о химических и фазовых равно-
весиях, впитав в себя физические и математические
идеи.
Каким бы непокорным ни был Кара-Богаз-Гол,
а правилу фаз Гиббса и закону Гульдберга—Вааге
он, безусловно, подчиняется.
1Так подчас укрощение строптивых «чудес при-
роды» начинается с познания их математических
закономерностей.
Мы оставили рассол, плещущийся в «черной па-
сти», в состоянии равновесия раствор — пар. Между
тем внутри одной лишь жидкой фазы этой системы
идут свои равновесные процессы, химические: 2NaCI-F
MgSO4 7^MgCl2 + Na2SO4.
63
Почему бы не использовать для этой реакции фор-
мулу закона «действующих масс»? Пожалуйста, вот
она:
[MgSO4][NaCl]2
[MgCLHNa.SOJ ’
Увы, на деле все обстоит гораздо сложнее. Каж-
дая из этих солей — прекрасный электролит. Значит,
все они в воде диссоциируют. Например, Na2SO4
2Na++SC\_ .Разумеется, и для такой реакции можно
[Na>SO4|
написать соотношение: [Na+p3jS0*2-j'~~. Но глау-
берова соль распадается на ионы полностью. Что же,
ставить в числителе нуль? Очевидный абсурд!
Допустим теперь, что часть сернокислого натрия в
недиссоциированном состоянии. Иными словами, К не
равно нулю. Это вполне реально: выпадает же Na2SO4
на дно Кара-Богаз-Гола в виде осадка! Но в такой
двухфазной системе раствор над солью должен быть
насыщенным. Сернокислый же натрий хорошо раст-
ворим. Да и другие его спутники в пучинах Кара-
Богаза не хуже. Стало быть, в рассоле всегда, даже
если он не насыщен, присутствует уйма ионов в боль-
ших концентрациях. И они мешают выполнять друг
другу закон действующих масс. По крайней мере
в той простейшей формулировке, с которой мы по-
знакомились. Приходится вводить поправки. Расчеты
становятся более громоздкими.
Конечно, химики в большинстве случаев справля-
ются с математическими трудностями. Но, к сожале-
нию, рассказ о том, как они это делают, отнял бы
слишком много места. Сейчас важно усвоить лишь
64
одно: даже за самым бесхитростным уравненном реак-
ции прячется сложное взаимоотношение многих сил.
Скорость и направление всякого процесса зависит от
разных факторов. Тут и температура, и давление, и
присутствие катализатора, и число фаз в системе,
и рождение новых фаз, и степень диссоциации, и влия-
ние веществ-соседей — всего не перечесть. Ничего
нет удивительного, что в приближенных вычислениях
приходится опускать кое-какие третьестепенные дета-
ли. Удивительно то, как химия умудрилась проник-
нуть в этот сложный мир физико-химических равно-
весий и описать его лаконичным и емким языком ма-
тематики! И если нынешний химик с законной гор-
достью может сказать: «Поверил я алгеброй гармо-
нию», — то первое слово признательности за мощное
математическое вооружение он обратит к основопо-
ложнику физико-химического анализа.
Тщательное изучение результатов экспедиции, до-
полнительные лабораторные исследования позволили
Курнакову вскрыть механизм садки глауберовой со-
ли в каспийском заливе. Летом рассол нагрет до
18—20 градусов. Он далек от насыщения. Зато осенью
и зимой при температуре плюс 5,5 градуса раствор
становится насыщенным. Но не по отношению ко всем
компонентам сразу. Лишь к глауберовой соли. Иначе
в осадок выпадала бы смесь солей. А этого не про-
исходит.
«Принимая во внимание, — писал Курнаков, —
что рассол Кара-Бугаза представляет равновесную
систему, состав соляной массы которой сохраняется
приблизительно постоянным в течение современного
периода ее существования, мы приходим к весьма
важному в практическом отношении заключению, что
5 Л. Бобров
65
глауберова соль в Кара-Бугазе кристаллизовалась
прежде и выделяется теперь чистой, без подмеси хло-
ристого натрия... Зная величину поверхности и сред-
нюю глубину Кара-Бугаза, мы вычисляем общее ко-
личество глауберовой соли, которая может выделять-
ся в заливе, равным 6 миллиардам тонн. Таким об-
разом, Кара-Бугаз представляет собой, несомненно,
величайшее месторождение сернонатриевой соли
в мире».
В 1920 году о сказочных богатствах Кара-Богаз-
Гола узнал Ленин. Правительство поддержало
предложения Кара-Бугазского комитета, созданного
при Институте физико-химического анализа под пред-
седательством Курнакова. На исследовательские ра-
боты было отпущено 40 тысяч рублей золотом. 40 ты-
сяч! Из скудной казны молодого Советского государ-
ства. Так в 1921 году была снаряжена экспе-
диция Подкопаева. За три года научной разведки
скопилась колоссальная коллекция эксперименталь-
ных данных.
Работы Курнакова подтвердили предположение,
что глауберова соль в Кара-Богаз-Голе относится
к числу периодических минералов. Таких, которые то
появляются, то исчезают. К зиме соль ложится могу-
чим пластом на площади в 18 тысяч квадратных ки-
лометров. Холодные штормовые волны выбрасывают
?е далеко на берег. А пенистые языки теплого летне-
го прибоя слизывают обратно. Но если кристаллы со-
ли залеживаются на солнце, происходят интересные
фазовые превращения. Глауберова соль (она же ми-
рабилит) представляет собой десятиводный кристал-
логидрат. Высыхая, она переходит в обычный серно-
кислый натрий Na2SO4.
66
Гидратные формы существуют не только в кри-
сталлическом состоянии. Они встречаются и в раст-
ворах. Это открыл Д. И. Менделеев.
Все знают, что разбавлять концентрированную сер-
ную кислоту можно, лишь добавляя ее в воду, а не
наоборот. Иначе более легкая вода может закипеть
на поверхности густой маслянистой жидкости и об-
дать незадачливого экспериментатора веером едких
горячих капель. Этот эффект связан с химическими
превращениями в системе серный ангидрид — вода.
Система однофазная, не правда ли? Но однофазная
не значит еще однообразная. В ней обретаются раз-
ные химические индивиды. Она послужила классиче-
ским объектом исследования для великого создателя
периодического закона.
Моногидрат H2SO4 общеизвестен. А такой гидрат,
как H2SO4-H2O? Или H2SO4-2H2O? H2SO4-6H2O?
И даже H2SO4 • 150Н2О?
Странно, но факт: перед нами индивидуальные хи-
мические соединения! Никто бы и не догадался, что
они существуют в однородной с виду смеси серной
кислоты с водой, не прибегни Менделеев к ори-
гинальному физико-химическому способу исследо-
вания.
Менделеев измерял, как изменяется приращение
удельного веса (s) системы SO3—Н2О в зависимости
от концентрации (р) серного ангидрида в воде.
(Замечательна сама терминология этого труда.
Она почерпнута из раздела высшей математики,
который называется анализом бесконечно малых.
б* 67
Удельный вес Менделеев относил к интегральным
величинам. Они легко получаются из расчета. Снача-
ла взвешивается кислота в склянке. Потом вес делит-
ся на объем. Вот и вычислен удельный вес. А мож-
но прямо в раствор опустить специальный приборчик-
поплавок и прочитать по шкале численное значение,
ds
Иное дело производная
Это приращение удель-
ного веса при уменьшении количества воды в систе-
ме. Оно принадлежит к разряду дифференциальных
свойств. В них выражается не сама величина, а ско-
рость ее изменения с изменением состава раствора,
ds
Обе величины Менделеев наносил на график: dp
на ось ординат (вертикаль), р — на ось абсцисс (го-
ризонталь).
Из математических соображений заранее ясно,
что если точки лягут на одну сплошную прямую ли-
нию, то это будет означать непрерывное изменение
свойств системы. Именно такого поведения и ожи-
дали от растворов, этих «однородных смесей».
Но странное дело — чертеж оказался как бы
68
склеенным из обломков прямой. Причем ломаная ли-
ния была разорвана на куски: конец одного участка
не совпадал с началом другого. Словно кто-то разо-
брал железнодорожный рельс и растащил в разные
стороны его концы у стыков.
Ученый пришел к выводу: геометрические разры-
вы сплошности отвечают химической катастрофе,
скачкообразному распаду особых гидратных форм.
Например, для серной кислоты это H2SO4, H2SO.r
•Н2О, H2SO4‘6H2O и так далее. Для этилового спир-
та С2Н5ОН.ЗН2О, С2Н5ОН»12Н2О.
Не успело, одиако, открытие Менделеева увидеть
свет, как тут же появились опровержения. Утвержда-
лось, что тщательная проверка и перепроверка опыт-
ных результатов никаких изломов и разрывов не об-
наружила. Их появление, мол, следует отнести на счет
неточности наблюдений.
С еще большим рвением оспаривалось теоретиче-
ское истолкование данных, полученных столь необыч-
ным для классической химии методом. «Если бы гид-
раты действительно существовали в растворе, то их
распадение не имело бы характера скачков, но как
везде, так и здесь происходило бы непрерывное из-
менение состояния равновесия с концентрацией».
Так возражал своему русскому коллеге Вильгельм
Нернст, крупнейший немецкий физико-химик (цитата
взята из его солидной монографии «Теоретическая
химия», переведенному нас в 1904 году).
Думал ли, гадал Нернст, что ему придется в бли-
жайшем переиздании вычеркнуть свое опровер-
жение?
69
— Изменение равновесного состояния непрерыв-
но! — считал тогда Нернст.
— Напротив, для так называемой «однородной
среды» характерны разрывы сплошности, соответст-
вующие определенным соединениям! И такой вы-
вод подкреплен математическим анализом экспери-
ментальных результатов, — утверждал Менде-
леев.
Не правда ли, подобное сопоставление мнений,
вернее противопоставление, чем-то напоминает спор
между Бертолле и Прустом? Только почему вдруг
Менделеев занимает позицию Пруста? Разве не было
сказано несколькими страницами раньше, что имен-
но гидратная теория Менделеева первой нанесла со-
крушительный удар неограниченной монополии зако-
на постоянных и кратных отношений?
Никакого противоречия здесь нет. Вспомните:
ведь речь идет о растворах! Тех самых «однородных
смесях», от которых открещивался Пруст. Он воздвиг
нерушимую стену между химическим соединением и
физической смесью.
Химические процессы подчиняются закону посто-
янства состава. Вот критерий, который утвердился
в химии со времен Пруста. А явления в растворах
и смесях... О, это совсем другое дело! Их отделяет от
химических четкая грань.
«Грани нет между этими явлениями и чисто хими-
ческими», — заявил Дмитрий Иванович Менделеев.
В своем капитальном труде «О соединении спирта
с водой» он высказал мнение, что определенные хи-
мические соединения — лишь частный случай неопре-
деленных соединений или растворов. Ибо к жидким
однородным системам тоже приложимо мерило сте-
70
хиометрии! Тому свидетельство гидраты спирта и сер-
ной кислоты.
Это было не отрицанием законов Пруста — Даль-
тона. Скорее их обобщением. Но как ни парадоксаль-
но, обобщение вело к ограничешпо! Теперь прежний
критерий объекта химических исследований оказывал-
ся явно недостаточным. И Курнаков решительно пе-
ресмотрел его, завершив дело, начатое Менделеевым.
Нернст очень скоро убедился в правоте Менде-
леева. Знаменитый Аррениус, создавший теорию элек-
тролитической диссоциации, полностью подтвердил
экспериментальные результаты и теоретические выво-
ды автора гидратной теории. Л геометрические прие-
мы Менделеева получили блистательное развитие
в трудах Курпакова.
Разрывы сплошности на своих диаграммах Мен-
делеев называл «особыми точками». Подобных гео-
метрических характеристик впоследствии оказалось
немало. И все они стали тончайшим инструментом ис-
следования в физико-химическом анализе.
(Когда мы говорим «раствор», то подразумеваем
нечто жидкое. Однако физико-химический ана-
лиз занимается и совершенно необычными
растворами — твердыми.
Занавес опускается, легко шурша тяжелыми склад-
ками, и над просцениумом смыкаются бархатные
крылья мхатовской чайки. Спектакль окончен. Улег-
лись страсти, еще минуту назад кипевшие в извечном
конфликте между силами добра и зла. «Финита ля
71
комедия», — вздохнет завзятый театрал, за улыбкой
скрывая зевок. «Система пришла в равновесие», —
подумает иной химик, глядя на застывший двукрылый
взмах знаменитого мхатовского символа...
Равновесная система... Да, это тоже результат
своеобразного драматического конфликта. Только
столкновение разыгрывается между силами химиче-
ского сродства.
Бурны и скоротечны страсти, кипящие в раска-
ленном чреве доменной печи, сонны и неторопливы
геохимические процессы, породившие водную оболоч-
ку нашей планеты. Но как бы ни были несхожи меж-
ду собой огненно-жидкий металл, стынущий в излож-
ницах, и густой рассол Кара-Богаз-Гола, выкипаю-
щий под знойным дыханием пустыни, — все это си-
стемы, пришедшие в состояние умиротворенного рав-
новесия. Для строгого описания подобных драмати-
ческих «апофеозов» непригоден общепонятный язык
драматургии. Мало того,
даже классический язык
древней науки, оперирую-
щий латинскими значка-
ми химических формул,
оказывается в этих случа-
ях невыразительным, сли-
шком скудным, слишком
невнятным.
Совершенно по-новому
зазвучал язык курнаков-
ских геометрических по-
строений.
Если бы Квазимодо,
растопив свинец на кры-
72
ше Собора Парижской богоматери, опустил в май тер-
мометр, то столбик ртути остановился бы напротив
отметки «327 градусов». Л стойкий оловянный солда-
тик из милой и немного сентиментальной сказки Ан-
дерсена разомлел от каминного жара и превратился
в крохотное металлическое сердечко при 232 граду-
сах. Но до точных цифр обычно нет дела ни героям,
пи авторам художественных произведений. Хотя будь
эти цифры раза в три больше, нам не довелось бы
вспоминать названные эпизоды.
Лишь оттого, что свинец и олово
плавятся при относительно низкой
температуре, их легко растопить
над кострохМ или в камине. Но лю-
бой порядочный паяльщик подтвер-
дит, что третник — сплав олова
и свинца — плавится при более
низкой температуре (примерно
180 градусов), чем каждый из ме-
таллов в отдельности.
Хотите проверить? Возьмите чи-
стое олово и свинец и приготовьте
сплавы: 90 процентов РЬ плюс
10 процентов Sn, 80 процентов РЬ
плюс 20 процентов Sn и так далее.
Только имейте в виду: процен-
ты здесь не совсем обычные. Не ве-
совые. Не объемные: Атомные.
Пусть надо составить пробу
50 процентов РЬ и столько же Sn.
Это означает, что на каждые 50
атомов свинца должно приходить-
ся 50 атомов олова. Так и будет,
73
если 1 грамм-атом свинца (82 грамма) сплавить
с 1 грамм-атомом олова (50 граммов). Ра-
зумеется, вовсе не обязательно брать именно такие
количества. Можно обойтись половинками или даже
меньшими долями грамм-атома. Лишь бы соблюда-
лось соотношение 50 процентов РЬ плюс 50 процен-
тов Sn. (Правда, чем весомее проба, тем точнее из-
мерения!)
Возьмем еще пример: 90 процентов РЬ плюс
10 процентов Sn. 90 процентов от 82 граммов (1 грамм-
атом РЬ) составит 73,8 грамма, а 10 процентов от
50 граммов (1 грамм-атом Sn) соответственно
5 граммов.
Теперь осталось взять навески РЬ и Sn попарно
и сплавить в тигле или, на худой конец, в консервной
банке.
Здесь читателю предлагается возможность на-
рисовать чайку на расческе.
Измерьте точки плавления (затвердевания) каж-
дой пробы, а также чистого олова и свинца.
У вас получится 11 цифр. А теперь возьмите ли-
нейку и начертите на листке миллиметровки три пря-
мые линии так, чтобы они образовывали букву «П»,
перевернутую кверху ногами. Длину перекладины
(это ось абсцисс) лучше взять равной 10 сантимет-
рам. Тогда каждое сантиметровое деление будет со-
ответствовать одной из ваших проб. Крайние деле-
ния — чистым свинцу и олову. На правой вертикали
(это ось ординат) нанесите отметку на высоте, ска-
жем, 65,4 миллиметра. Поставьте рядом цифру
74
327 градусов. Это температура плавления свинца.
Важно запомнить, что избранный масштаб у нас та-
ков: 1 миллиметр соответствует 5 градусам. Теперь
легко будет нанести метку 232 градуса па левую вер-
тикаль. Для каждой из остальных девяти отметок
можно восстановить по перпендикуляру из сантимет-
ровых делений на оси «состав». Они поднимутся слов-
но зубья расчески. На каждый зубец, соответствую-
щий какому-то определенному соотношению компо-
нентов в сплаве, нанесите температуру плавления.
Осталось соединить точки плавной линией — диаг-
рамма готова. Посмотрите: разве не напоминает ва-
ша кривая взмах крыльев мхатовской чайки?
Самая нижняя точка кривой (примерно 180 гра-
дусов) очутится на вертикали, исходящей из абсцис-
сы с составом 30 процентов РЬ плюс 70 процентов Sn.
Конечно, дома или в школьном химическом круж-
ке трудно провести точные измерения. Для этого и
металлы должны быть хорошо очищенными и точки
75
надо «снимать» чаще. Но главное сделано — мы
установили характер диаграммы для двухкомпонент-
ной системы. Два плавных «крыла» нашей «чайки»
сходятся в самой нижней точке кривой.
Эта точка называется эвтектической (от грече-
ского «легкоплавкий»). Действительно, она отвечает
составу самой легкоплавкой из всех возможных
процентных комбинаций двух наших металлов.
Странно, не так ли? Берешь олово, добавляешь
к нему более тугоплавкий свинец, а повышения жа-
ростойкости не получаешь. Наоборот, температура
плавления падает. В эвтектической точке она на це-_
лых 50—60 градусов ниже, чем у оловянного солда-
тика. (Бедный оловянный солдатик, ему нельзя иметь
дела даже с охотничьей дробью без ущерба для стой-
кости!) Как же так?
Неприятная штука — гололедица! ,И хотя мосто-
вая, вестимо, не место для пируэтов, толпа прохожих
из-за капризов погоды вынуждена под носом у авто-
мобилей выписывать вензеля почище комиков «Айс
ревю». Как избавить пешеходов от напасти? Неужто
ждать оттепели? Не обязательно. Дворники навостри-
лись расправляться с прозрачной броней асфальта
не хуже солнца. Что же помогает им? Костры? Паяль-
ные горелки? Ни то, ни другое. Поваренная соль.
|Как насолить гололедице? Пожалуй, лучше
дворников об этом никто не расскажет.
Известное дело: когда встречаются лед и пламень,
после такого «рандеву» остается лишь мокрое место.
76
Однако подобного же эффекта удается достичь и
без огня. Стоит покруче посолить снег, как он начи-
нает таять. Даже при минусовых температурах. Ведь
любой раствор замерзает при более низкой температу-
ре, чем чистый растворитель. Так и система вода —
соль. В своем письме Курнакову — не забыли? —
Подкопаев сообщал, что работы в заливе Кара-Бо-
газ-Гол не прекращались и при минус 2,5 градуса.
Застывая от холода, однофазная система вода — соль
не преминула бы раздвоиться на кристаллы льда и
крупицы соли. Это явление используется в технике:
так вымораживают соли из растворов.
Обратное превращение — переход смеси соли и
77
льда в раствор — начинается задолго до того» как
столбик ртути в термометре поднимется к нулевой
отметке. А вот чистому льду не удастся расплавить-
ся» не дождавшись этого момента. Однако вовсе не
обязательно заставлять лед томиться в ожидании
теплой погоды. Тем паче, если он вопреки правилам
уличного движения превращает злополучных пешехо-
дов в незадачливых фигуристов. Можно смешать его
с солью, и тротуар перестанет выполнять несвойст-
венную ему миссию катка.
Роль соли способна сыграть в сплаве свинцовая
дробь, роль воды — оловянный солдатик. Представьте
себе, что добавки свинца растворяются в олове. Тем-
пература плавления такого «раствора» все больше
понижается — вплоть до эвтектической точки.
Точно так же можно объяснить снижение плавко-
сти вдоль второго крыла кривой. Только там наобо-
рот — олово растворяется в свинце.
Наша «чайка» рассекает диаграмму надвое. Верх-
няя часть — область жидкого расплава. Однородной,
однофазной среды. Нижняя составлена уже из не-
скольких фраз. Рассмотрим рисунок на странице 75.
Когда расплав охлаждается, он, как и рассол,
претерпевает фазовые превращения. Сперва выделя-
ются кристаллы чистого растворителя, скажем свин-
ца. Значит, в оставшейся жидкости соотношение ком-
понентов изменилось в пользу олова. Новому составу
жидкости будет соответствовать иная точка на диа-
грамме. Она расположена левее первоначальной. Тем-
пература застывания оставшегося раствора тоже из-
менилась — упала еще ниже.
По мере выделения кристаллов свинца равновесие
твердая фаза — раствор начинает скользить вдоль
78
крыла кривой по направлению к эвтектической точке.
Правда, количество остаточного раствора постепенно
убывает, зато концентрация олова в нем непрерывно
растет. В определенный момент наряду с чистым свин-
цом начинает кристаллизоваться и раствор олова
в свинце. Застывшие в последнюю очередь порции
раствора — самые «грязные». В них больше всего
олова.
Разумеется, это не означает, что слиток с краев,
откуда обычно начинается затвердевание, будет со-
стоять из чистого свинца, а в середине — из «гряз-
ного». Кристаллизация быстро захватывает всю мас-
су расплава, и направленного перемещения фаз не
происходит. Так что слиток обладает, как правило,
довольно однородной микроструктурой: кристаллики
чистого свинца вкраплены в кристаллическую массу
растворов олова в свинце.
I Между тем направленное разделение компонен-
тов возможно! Именно так получают сверхчистые
вещества.
Правда, такая картина отражена лишь той зоной
диаграммы, которая находится правее эвтектической
точки.
Но отличие для левой зоны невелико: там кри-
сталлики олова рассеяны в массе затвердевших раст-
воров олова в свинце.
В эвтектической точке кристаллизуются сразу и
свинец и олово. Здесь и поблизости (светлые участки
диаграммы) твердых растворов нет. Есть только
79
перемешанные кристаллики обоих чистых компо-
нентов.
Могло показаться, будто «раствор» здесь, приме-
нительно к сплавам, — не более, как удачно подоб-
ранная метафора. Отнюдь нет! Твердые растворы —
вполне строгий термин, введенный еще Вант-Гоффом
для обозначения однородных кристаллических тел
переменного состава.
Да, у твердых растворов и впрямь совсем не твер-
дый состав. Даже внутри одного и того же слитка.
Это понятно, если вспомнить, что состав остаточного
расплава, из которого выкристаллизовываются твер-
дые растворы, непрерывно меняется по мере выделе-
ния чистых компонентов.
Вот почему здесь бессильны законы Пруста —
Дальтона.
Но всегда ли? Вернее, для всех ли систем?
Памятуя об «особых точках» Менделеева в обыч-
ных растворах, мы не блеснем особой проницатель-
ностью, если сразу же ответим на вопрос отрица-
тельно.
Ученые давно уже подозревали, что в сплавах мо-
гут образовываться и химические соединения. Иными
словами, составные части системы способны взаимо-
действовать в стехиометрических пропорциях. Но как
определить состав этой новой фазы? Одним химиче-
ским методам это едва ли под силу. Часто сплав ана-
лизируют, растворяя его поначалу в кислоте. Но так
не выяснить состава каждой фазы в отдельности:
твердых растворов, чистых компонентов и продуктов
их взаимодействия. Все эти разношерстные кристал-
лики перейдут в водный раствор, образовав однофаз-
ную систему с первоначальным соотношением компо-
80
нентов. Очевидно, надо бы предварительно каким-то
неведомым способом рассортировать мельчайшие кри-
сталлики, перемешавшиеся в массе слитка. Но каким?
Выковыривать их под микроскопом из шлифа? Дикое,
нелепое занятие! Нелепое даже в том случае, если бы
нам успешно удалась подобная процедура. Ведь рас-
кладывать кристаллики по кучкам мы должны, руко-
водствуясь определенным отличительным признаком.
По химическому составу. Но мы его не знаем! Сакра-
ментальная ситуация, которая по-латыни называется
«циркулюс вициозус», а в народе — просто «заколдо-
ванным кругом»: чтоб узнать состав, надо разделить
фазы, а чтоб разделить фазы, надо знать состав. При-
чем зачастую состав бывает переменным, как, напри-
мер, в случае твердых растворов.
Где же выход? А выход есть! Его подсказывают
нам геометрические приемы физико-химического ана-
лиза.
Хотите полюбоваться горным ландшафтом?
Пожалуйста.
Мы убедились уже, как чутко реагирует равновес-
ная система на малейшие изменения условий. Изме-
няя и измеряя их (скажем, температуру), мы вызы-
ваем фазовые превращения. Но ведь эти метаморфо-
зы внутри системы однозначно связаны строгой
зависимостью! Гармония подчинена законам алгеб-
ры и геометрии: тому свидетельство наша диаграм-
ма. Так неужели же возникновение новой фазы
в системе не проявится в виде каких-то «особых
точек»?
Проявится! Обязательно должно проявиться.
6 Л. Бобров
81
Не для всех двухкомпонентных систем кривые
плавкости имеют вид «чаек». Иногда получается кон-
тур, напоминающий горный пейзаж. Посередке холм,
а по бокам — слева и справа от него — сразу же от
подножия начинаются склоны двух соседних возвы-
шенностей. И центральный холм вздымается здесь
неспроста. Налицо явная улика: в системе образова-
лось химическое соединение. Например, в двойной
системе олово — магний горная вершина расположена
как раз над абсциссой с таким составом, который
тютелька в тютельку отвечает стехиометрически безу-
коризненному отношению: на каждые два атома Mg
приходится один атом Sn. И действительно, в системе
присутствует станнид магния Mg2Sn!
Новатор по натуре, Курнаков не постеснялся раз-
рушить ходячее мнение, будто в химический союз
вступают лишь вещества с полярно несхожими свой-
ствами (щелочь и кислота, металл и металлоид). Нет,
даже близкие по природе металлы могут давать ти-
пичные химические соединения. Например, золото и
медь, расквартированные в одном и том же периоде
менделеевской таблицы, образуют CuAu. Подобные
интерметаллические соединения обладают подчас бо-
лее высокой температурой плавления, нежели любой
элемент, входящий в их состав. Скажем, у Mg2Sn она
на 144 градуса выше, чем у Mg — самого тугоплав-
кого компонента двойной системы Mg — Sn. Потому-
то и возвышается на кривой плавкости центральная
горка.
Давайте-ка рассечем диаграмму двойной системы
с интерметаллическим соединением вертикалью, про-
ходящей через вершину холма. Вглядитесь: перед на-
ми не что иное, как две чайки, сцепившиеся крылья-
82
ми! Например, диаграмма Mg — Sn распадается на
две более простые. Правая отображает состояние си-
стемы Mg — Mg2Sn, левая — системы Mg2Sn — Sn.
Выделенные точечной заливкой участки в каждой
половине — области взаимных твердых растворов, об-
разованных компонентами Mg, Mg2Sn и Sn.
Твердые растворы и химические соединения суще-
ствуют не только в системах металл — металл. Суще-
ствуют давным-давно, хотя и стали знакомы ученым
лишь с конца прошлого века.
«Железный век», «век стали» — целые эпохи при-
меняли люди твердые растворы углерода в железе,
даже не подозревая об этом!
Познакомившись с внешним видом равновесной
системы, мы можем теперь заглянуть и внутрь.
6*
83
В системе Fe — С обнаружена не одна разновид-
ность твердых растворов: феррит, аустенит и дельта-
фаза. Греческой буквой здесь обозначают одну из
аллотропных модификаций железа. Внедряясь в кри-
сталлы этой модификации, атомы углерода дают твер-
дый раствор, который мы и обозначаем буквой «дель-
та». То же самое справедливо для феррита и аустени-
та. Первый представляет собой твердый раствор угле-
рода в альфа-модификации железа, второй — в гам-
ма-модификации.
Фазовые различия связаны здесь с кристаллогра-
фическими характеристиками модификаций. Все за-
висит от типа кристаллической решетки. Например,
у гамма-железа элементарная ячейка решетки — гра-
нецентрированный куб. Это значит, что атомы железа
расположены не только в восьми углах куба, но и
в центре каждой из четырех граней. У альфа- и дель-
та-железа куб объемноцентрированный. Атомы сидят
в углах и в центре куба.
Твердые растворы возникают в том случае, когда
в кристаллическую решетку вещества внедряются чу-
жеродные атомы. Или замещают в ней прежних оби-
тателей.
Наряду с твердыми растворами в железоуглероди-
стых сплавах, разумеется, присутствуют и чистые ком-
поненты. Например, графит. Не алмаз, как считал
Муассан! А что же представляли собой кристаллы
Муассана? Карбид? Да, Fe3C. Его называют цемен-
титом. У него ромбический тип кристаллической ре-
шетки.
От кристаллической структуры зависят многие
свойства вещества. Достаточно вспомнить хотя бы
алмаз и графит. У первого — тетраэдрическая решет-
84
ка. Четыре атома углерода расположены в углах пи-
рамиды. Только не такой, как, например, Хеопсова.
у той основание — четырехугольник. У этой — тре-
угольник. Но зато пятый атом углерода устроился и
впрямь как фараон — в центре пирамиды. Строение
графита напоминает этажерку. Каждая полка эта-
жерки словно паркет, выложенный шестиугольными
плитками. Атомы одни и те же, а насколько различ-
ны свойства обеих углеродных модификаций!
В сплавах атомы компонентов могут замещать
друг друга, не нарушая решетки, как в некоторых
твердых растворах. А могут создавать и новую архи-
тектуру, как в случае ЕезС. В результате свойства
вещества неузнаваемо изменяются (вспомните ковкое
железо, сталь и чугун).
Так понятие фазы вовлекло в поле зрения химии
структуру вещества. И насколько* это обогатило древ-
нюю науку! Ведь не только сорт атомов или молекул,
но также их взаимное расположение и влияние опре-
деляют твердость алмаза и мягкость графита, хруп-
кость чугуна и пластичность железа, легкоплавкость
третника, «болезненность» олова, прозрачность стек-
ла, гигроскопичность поваренной соли. Да мало ли
замечательных свойств помог объяснить физико-хи-
мический анализ!
И кто бы мог подумать, что именно геометрия сде-
лает химию более проницательной! Незамысловатый
вроде бы чертеж-диаграмма «состав — свойство»,
а сколько открытий принесли науке карандаш и ли-
нейка, подружившиеся с пробиркой!
Одной из таких находок физико-химического
анализа стали вещества-призраки.
85
Если измерить электропроводность нескольких
проб, где одна и та же пара элементов сплавлена
в разных пропорциях, обнаружатся интересные осо-
бенности. Надо только предварительно нанести сня-
тые точки на ту же диаграмму двойной системы —
под кривой плавкости. Получится график, из которо-
го видно, как электропроводность зависит от состава
сплавов. Положим, наша температурная кривая имеет
вид «чайки». Тогда линия электропроводности под
эвтектической точкой на всем светлом участке будет
прямой, как тетива. Правда, в выделенных точечной
заливкой областях твердых растворов ее концы
все-таки загнутся кверху. Это потому, что чем чище
компонент, тем ниже у него сопротивление. И наобо-
рот— образованию твердых растворов одного компо-
нента с другим сопутствует повышение сопротивления.
А теперь пусть перед нами диаграмма не с «чай-
кой», а с «горным пейзажем». Кривая электропровод-
ности здесь уже больше похожа на лук, чем на тети-
ву. Как раз под вершиной «холма» бросается в глаза
резкий всплеск электропроводности. Да и другие кри-
вые (например, вязкости расплава) на том же самом
месте имеют излом, направленный острием вверх.
Причем кончик острия указывает точно на вершину
«холма». Особая точка? Совершенно верно, только ее
Курнаков назвал дальтоновской, а еще сингулярной,
позаимствовав термин из теории алгебраических
кривых.
Mg2Sn, iMgAg, Fe3C и любое другое химическое
соединение между компонентами двойной системы
характеризуется такой точкой. С другой стороны, при-
сутствие сингулярной точки на диаграмме — верный
признак того, что в системе образовалось соединение
86
определенного состава, подчиняющееся закону Даль-
тона. Этот состав можно установить немедленно, опу-
стив перпендикуляр из дальтоновской точки па ось
абсцисс.
Между тем безошибочно определить химическим
путем, какое соединение и какого состава присутст-
вует в сплаве, неимоверно трудно. Но даже если бы
это удалось, легко впасть в ошибку: ведь состав инте-
ресующей нас фазы зачастую колеблется в широких
пределах. За примерами ходить недалеко: те же
Mg —Sn, Pb — Sn. Они образуют твердые растворы
переменного состава. И только сингулярная точка мо-
жет однозначно и точно, а главное, легко и быстро
указать состав соединения, содержащегося в той или
иной фазе.
Так физико-химический анализ вручил ученым ве-
ликолепный Индикатор, который, по словам Курнико-
ва, «позволяет открывать соединения и определять
их состав, не прибегая к обычному препаративному
методу выделения соответствующих твердых фаз в чи-
стом состоянии».
Именно этот индикатор заставил науку еще раз
вспомнить о Бертолле.
В начале нашего века внимание исследователей
приковали к себе сплавы таллия с висмутом. Систе-
ма Т1 — Bi имела диаграмму с типичным «горным
пейзажем». Это сразу наталкивало на мысль, что ее
компоненты вступают в химическое соединение. Толь-
ко вот какого состава?
87
Вершина «холма» находится над точкой, соответ-
ствующей составу 37,2 процента Т1 плюс 62,8 процен-
та Bi. Отсюда японский ученый Шикашиге сделал
вывод: в системе образуется соединение вполне опре-
деленного состава Tl3Bi5.
Но когда изучением системы занялся академик
Курнаков, обнаружились странные вещи. Если фаза
переменного состава "действительно содержит соеди-
нение, подчиняющееся закону постоянных и кратных
отношений, то твердый раствор под контуром «хол-
ма» должен обладать дальтоновской точкой. Но ее
не было! Вернее, была, да только не на месте. Не
88
под самой высокой точкой на кривой плавкости, а го-
раздо дальше. Там, где кончалась область твердого
раствора!
Курнаков сделал вывод: это вовсе не твердый ра-
створ соединения TI3B15. Это химический индивид пе-
ременного состава, не подчиняющийся закону посто-
янства и кратности. И если сингулярный всплеск все
же есть, то он должен находиться за пределами ре-
альных концентраций, в которых существует наша
фаза.
Не странно ли: вроде бы есть твердый раствор ка-
кого-то соединения. Но самого соединения нет! Ве-
щество — призрак, оно обретается по ту сторону на-
ших возможностей физически «потрогать» его.
Вскоре обнаружилось, что диковинки неопределен-
ного состава — не такая уж редкость. Древняя ла-
тунь — сплав меди с цинком — тоже содержит хи-
мический индивид, не имеющий дальтоновской точки.
Его состав колеблется в громадном диапазоне — раз-
ница в целых 18,2 процента! В некоторых кристалло-
гидратах содержание воды изменяется тоже не скач-
ками, как у серной кислоты или глауберовой соли,
а непрерывно, причем однородность и прозрачность
вещества сохраняются полностью. Некоторые фазы
в сплавах железа с кремнием, меди и серебра с оло-
вом, цинком, кадмием, знаменитые цеолиты, которые
сегодня нашли широкое применение в качестве мо-
лекулярных сит, — их оказалось не так уж мало,
этих отщепенцев, этих раскольников, не принявших
вероучение Пруста — Дальтона!
Впрочем, метафоры из лексикона церковников
здесь не совсем уместны. Наука тем и сильна в отли-
чие от религии, что у нее нет окаменевших догм. Диа-
89
лектическая логика не страшится низвергнуть культ
отживших истин.
Через сто лет после того, как закончился спор
между Прустом и Бертолле, Курнаков сказал: «В на-
стоящее время совокупность данных физико-химиче-
ского анализа позволяет утверждать с полной уве-
ренностью, что обе стороны правы в своих утверж-
дениях, но что точка зрения Бертолле является более
общей».
Химические индивиды переменного состава Курна-
ков назвал бертоллидами в отличие от дальтони-
дов, свято соблюдающих закон постоянства состава.
Это был триумф принципа непрерывности, про-
возглашенного Бертолле. Великое содружество хи-
мии и математики торжествовало очередную победу.
А если оглянуться, как мучительно, как трудно про-
никали новые идеи в химию! Впрочем, и в математи-
ку тоже.
| Как это началось?
...Два с лишним столетия назад у жителей тихого
Кенигсберга пропал покой. Простоватые бюргеры и
высокомерные юнкеры, недоросли-школяры и ученые
мужи, даже беззаботные Гретхен и доблестные прус-
ские офицеры, не привыкшие утомлять свой мозг чрез-
мерными интеллектуальными упражнениями, — сло-
вом, все достопочтенные кенигсбергские граждане
в поте лица корпели над задачей: как обойти семь
мостов, перекинутых через реку Прегель, побывав
на каждом всего один раз?
90
Этой беспокойной затеей заинтересовался Леонард
Эйлер. Великий математик доказал неразрешимость
знаменитой задачи: контур невозможно нарисовать
единым росчерком, не отрывая пера от бумаги и не
проходя по одной и той же линии дважды.
Так родилась топология.
С первых же шагов новая наука испугала верно-
подданных евклидовой геометрии своими странными
замашками. Раньше все было как полагается. Шар
был шаром, куб — кубом, и никому не взбредало
в голову превращать округлость одного в угловатость
другого. Или наоборот. Поверхность всегда имела
две стороны, а пространство три измерения. Что же
касается вычерчивания фигур единым росчерком пе-
ра, то лишь очередной блажью можно было объяс-
нить намерение великого ученого взяться за несерь-
езное занятие, которое под стать разве что неради-
вым бурсакам.
Но неисповедимы пути науки. Новые идеи витали
в воздухе, и рано или поздно кто-то должен был их
91
высказать. Даже несмотря на высокомерно-пренебре-
жительное отношение творцов и приверженцев клас-
сической математики.
В 1812 году во время бегства наполеоновской ар-
мии из России военный инженер Понселе попал в плен
и был интернирован русскими властями. Очутившись
в Саратове, он занялся научными изысканиями.
Именно здесь Понселе, последователь школы Монжа,
пришел к идеям, которые легли потом в основу «Трак-
тата о проективных свойствах фигур». В своем труде
саратовский пленник высказал принцип непрерывно-
сти геометрических преобразований. Тогда же он
сформулировал понятие о проективных свойствах фи-
гур в отличие от так называемых метрических.
Классическую геометрию интересовала не только
форма фигур, но и их размеры. Само название этой
древней науки включает в себя корень «метр» — ме-
ра. Измерение длин, площадей и объемов тысячеле-
тиями занимало умы величайших геометров. Что же
касается классификации математических индивидов,
то здесь пролегали непереходимые грани. Считалось,
что плавная кривизна окружности и резковатая пря-
мота четырехугольника — вещи несовместимые, как
гений и злодейство. Недаром никакие ухищрения не
помогали разрешить знаменитую «квадратуру кру-
га» — обратить с помощью циркуля и линейки круг
в квадрат равной площади.
И вдруг появились люди, которые стали рассмат-
ривать круг и квадрат, кривую и прямую линии как
нечто очень похожее. В самом деле, говорили они,
представьте себе прямоугольник, состоящий не из
жестких, негнущихся линий, а из гибких, растяжимых
нитей. Тогда его легко будет без разрывов преобра-
92
зовать в треугольник, круг, эллипс. Даже в восьмер-
ку, если вырваться из плоскости. Однако эту вось-
мерку уже не переделать без ножниц и клея в два
звена одной цепи.
Точно так же куб с мягкими стенками подобен ша-
ру — оба тела ограничены замкнутыми поверхностя-
ми, которые могут быть превращены одна в другую.
Но при всем желании сфера не может быть превра-
щена без раскроя в бублик. Мешает дырка.
Полоска бумаги. У нее две поверхности. Это оче-
видно, ибо каждую из сторон можно раскрасить
в разные цвета. Но склейте ленту концами, перевер-
нув один из них на 180 градусов, и вы получите «лист
Мёбиуса». Попробуйте раскрасить сперва одну сторо-
ну до конца в какой-нибудь один цвет, потом вто-
рую — в другой. У вас ничего не получится. Ибо это
странное кольцо имеет только одну сторону!
Итак, для новой геометрии узлы и перегибы, замк-
нутость и разомкнутость, целостность и разрывы
сплошности оказались не менее ценными характери-
стиками, чем жесткость и невзаимозаменяемость иде-
альных линий, поверхностей и фигур для классиче-
ской. В отличие от своей предшественницы новая нау-
ка пренебрегла числом и мерой, сосредоточив все свое
внимание на непрерывности геометрических преобра-
зований.
Эту «каучуковую» геометрию нарекли топологией.
Не сразу она завоевала признание. Холодный при-
ем со стороны математических авторитетов ожидал
не одного Понселе. С иронией отнеслись к дерзким
посягательствам Лобачевского на непогрешимость по-
стулатов Евклида. Немецкий математик Гаусс, само-
стоятельно пришедший к идеям неевклидовой геомет-
93
рии, так и не решился на публикацию своих иссле-
дований.
Еще медленнее проникали математические идеи
в мир химических превращений. Бертолле умер, так
и не дождавшись признания. Лишь в семидесятых
годах XIX века появились классические мемуары
Гиббса о химических равновесиях и формулы Гульд-
берга — Вааге.
Следующий шаг на пути к математизации химии
сделал в своих геометрических построениях Менде-
леев. Но никогда еще химия не знала такого энту-
зиаста математических методов, как этот удивитель-
ный русский, один из тех одержимых, энергия и та-
лант которых взламывают жесткие рамки любых тра-
диций, сокрушают любые «китайские стены» самодо-
вольной ограниченности. Да, таким был создатель
физико-химического анализа Николай Семенович Кур-
наков. Именно благодаря его работам две древние
науки снова протянули друг другу руки, чтобы уже
никогда не расставаться.
| Так родилась топологическая химия,
«Я был очень удивлен, — вспоминает доктор фи-
зико-математических наук, профессор Ленинградского
горного института Николай Вячеславович Липин, —
когда узнал, что Николай Семенович изучает работы
по геометрии Мёбиуса, которые он надеялся приме-
нить к решению проблем химии. Точно так же он
изучал первые работы по топологии, принадлежавшие
Листингу. Когда я указал, что самые важные резуль-
94
таты в этом направлении впервые получены Пуанка-
ре, Николай Семенович стал заниматься формулой
Пуанкаре. То обстоятельство, что эта формула отно-
сится к многомерным пространствам, не смущало его,
он утверждал, что в его диаграммах она применима».
Но какое, собственно, отношение имеет к химии то-
пология? Почему Курнаков назвал созданный им ме-
тод анализа топологической химией?
Вот как отвечал на этот вопрос сам Курнаков:
«Учение о подвижном равновесии, введенное в хи-
мию Бертолле, есть не что иное, как применение гео-
метрической идеи непрерывности к химическим пре-
вращениям. В геометрии непрерывность изменений
фигур характеризует самые общие преобразования
пространства, которыми занимается топология... Уче-
ние о равновесной диаграмме состав — свойство пред-
ставляет особую область приложения топологии, где
понятию «многообразия», или «комплекса», составлен-
ного из геометрических элементов — точек, линий,
поверхностей и т. д., — соответствует понятие «систе-
ма», образованная различным числом компонентов».
Мы познакомились с диаграммами двойных си-
стем. Это были плоские чертежи.
Однако если физико-химическая система состоит
не из двух, а из трех компонентов (составных ча-
стей), то плоского чертежа на листке бумаги уже не-
достаточно. В этом случае Курнакову приходилось де-
лать объемные модели из гипса и ради наглядности
раскрашивать поверхности в разные цвета. Вместо
плоской «чайки» теперь перед нами рельефная поверх-
ность. Но каждая из граней призмы — это тот же
график двойной системы! Основание призмы — тре-
угольник, на который спроектирована эвтектическая
95
точка тройной системы. Гораздо труднее построить
модель четверной системы. Она представляет собой
тетраэдр, составленный из тех самых треугольников,
которые являются основаниями призмы — модели
тройной системы. Внутри тетраэдра заключена эвтек-
тическая звезда, рассекающая его на 4 дольки. Ана-
логично изображается геометрическая модель систе-
мы из 5 компонентов. Эта фигура — пентатоп —
имеет 4 угловые точки, расположенные в четырехмер-
ном пространстве. Шестерная система изобразится
пятимерным гексатопом. И вообще система из
96
(л+1) компонентов может быть представлена поли-
топом «-мерного пространства.
Понятие об «-мерном пространстве ввел еще
в 1856 году немецкий математик Бернгард Риман. Он
показал, что наше представление о пространстве, где
предметы имеют длину, ширину и высоту, — не бо-
лее, как частный случай геометрического вйдения ми-
ра. Можно мысленно представить себе простран-
ство не только трех, но четырех, пяти и более изме-
рений.
Увы, то, что могло сделать воображение, было не-
доступно рукам. Построить наглядную геометриче-
скую модель не удавалось даже в том случае, когда
число компонентов превышало три. Оставалось иметь
дело с чисто умозрительным толкованием так назы-
ваемых многомерных структур. Но Курнаков не уста-
вал повторять: «Нужно больше работать, рано или
поздно мы найдем удобное геометрическое представ-
ление». И неспроста великий русский химик самозаб-
венно углублялся в дебри классических трактатов
по геометрии и новейших работ по топологии, не ра-
ди забавы привлекал он к сотрудничеству видных
советских математиков.
Мы начали с диаграмм металлических сплавов.
Но сам физико-химический анализ — разве это не
чудесный сплав химии и математики, сплав, из кото-
рого выкристаллизовался многогранный язык курна-
ковских диаграмм? «Химия получает международный
геометрический язык, аналогичный языку химических
формул, но гораздо более общий, так как он отно-
сится не только к определенным соединениям, но и
ко всем химическим превращениям вообще», — пи-
сал академик Курнаков.
7 Л. Бобров
97
«Природа говорит языком математики», — гласит
древнее латинское изречение. Бертолле не было суж-
дено овладеть в совершенстве этим языком, способ-
ным лаконично и строго описывать многокрасочную
гамму химических явлений: от жарких сполохов до-
менных плавок до холодных равновесий соленых мор-
ских пучин.
(Лить теперь химики обрели возможность всту-
пить во взаимопонятный диалог с несловоохотли-
вой природой. И не напрасно — они выпытали
у нее новые тайны.
...Из двенадцати подвигов легендарного Геркулеса
один имеет некоторое отношение к химии. Нужно бы-
ло вычистить огромные конюшни царя Авгия, зарос-
шие навозом по самые крыши. Нелегкий труд выпал
на долю героя, но могучий Геркулес не ударил в грязь
лицом. Через громадные, на три тысячи коней, цар-
ские стойла он направил воды реки Алфея. Мощные
потоки за один день начисто смыли тридцатилетние
наслоения. В лексиконе народов это предание остави-
ло выражение «авгиевы конюшни» как символ чего-
то неимоверно грязного и трудно поддающегося очи-
стке.
Мария Кюри не обладала бицепсами Геркулеса.
Напротив, она была хрупкой, болезненной женщиной,
к тому же ее обременяли многочисленные семейные
заботы. Но титанический труд по очистке открытого
ею нового элемента, названного радием, способен за-
тмить подвиг героя прекрасного античного мифа.
В заброшенном сарае супруги Кюри переработали
98
многие центнеры урановой руды, чтобы получить ни-
чтожную крупинку соли радия. Ближайший аналог
бария, новый элемент никак не хотел отделяться
от своего сородича. Поэтому для окончательного раз-
деления смеси пришлось несколько тысяч раз пере-
кристаллизовывать раствор солей. За свой бессмерт-
ный научный подвиг Мария Кюри была удостоена
Нобелевской премии.
Никакие «авгиевы конюшни» не устоят перед ис-
кусством сегодняшнего экспериментатора. Тяжелую
работу человек препоручил машинам, которые мощью
и ловкостью далеко превзошли Геркулеса. В распоря-
жении ученых есть не один десяток остроумных ме-
тодов, о существовании которых и не подозревали
паши античные предки. Но значит ли это, что поеди-
нок с примесями в борьбе за чистоту стал легче?
Методы препаративной химии совершенствуются
день ото дня. Сегодняшние ученые умеют освобож-
дать вещества от примесей куда лучше, проще и ско-
рее, чем это удавалось Прусту или Кольраушу. Од-
нако требования к чистоте материалов растут еще
быстрее! И не известно, у какого предела они остано-
вятся.
Если в урановом топливе окажется больше одной
миллионной процента бора, цепочка ядерпых распа-
дов оборвется. А примеси мышьяка к германию, при-
меняемому в полупроводниковой технике, порой не
должны превышать одного атома на миллиард ато-
мов чистого вещества.
99,9999999 процента. Такое количество девяток
привело бы в трепет даже самого терпеливого, само-
го настойчивого химика прошлого века. А ведь наши
деды умели годами и десятилетиями охотиться за
7*
99
сверхчистотой, когда они возгорались желанием по-
ближе познакомиться с химическим индивидом.
И лишь физико-химический анализ переключил их
внимание на изучение смесей.
1Но чудо: именно интерес к «грязи» помог до-
биться неслыханной чистоты.
Родились совершенно новые принципы очистки
вещества. Их подсказали идеи физико-химического
анализа.
Когда сплав затвердевает, кристаллики обоих ком-
понентов и твердые растворы образуют довольно од-
нородную смесь. Фазы не разделяются. Так происхо-
дит, если расплавленная масса охлаждается равно-
мерно. А если ее охлаждать иначе? Не всю сразу,
а зонами? Что тогда?
Улитка за час перемещается всего на несколько
метров, Но в сотни раз медленнее двигается брусок
материала, очищаемого зонной кристаллизацией. Ме-
тод назван так потому, что вещество в нем расплав-
лено не целиком, а лишь на одном участке. По левую
и правую руку от огненно-жидкой массы — твердое
вещество. Брусок незаметно для глаза проползает
в кольцеобразный нагреватель, спокойно стоящий
на месте. Вот и получается, что расплавленная зона
путешествует от одного конца бруска к другому —
ведь движение относительно! Если примеси (второй
компонент) растворимы в расплавленном веществе
лучше, чем в твердом, то они, естественно, стремятся
там и остаться. Затвердевшая часть бруска будет чи-
100
ще его жидкой фазы. Медленно смещая брусок или
нагреватель (все равно!), можно оттеснить всю «не-
чисть» от носа к хвосту бруска. Операцию обычно
повторяют многократно. После этого «хвост» отреза-
ют, оставаясь с чистым «носом».
Подвижное «адское пекло» позволяет получить по-
лупроводниковый кремний с огромным процентом чи-
стоты — семь девяток после запятой.
Если бы знал великий Данте, что химики
способны даже ад превратить в чистилище!
Правда, структура тел, очищенных таким спосо-
бом, получается мелкокристаллической. А для полу-
проводниковых приборов нужны правильные по фор-
ме крупные кристаллы. Пожалуйста: физико-химиче-
ские методы и тут готовы прийти на выручку.
Вещество, подлежащее очистке, расплавлено в тиг-
ле. Температура раскаленной массы всего на несколь-
ко градусов выше точки плавления. В расплав вводят
затравку — крохотную крупинку чистого вещества.
На ее гранях тотчас начинают нарастать новые слои.
Чтобы рост шел равномерно, кристаллик приходится
вращать. И одновременно вытягивать из тигля, чтобы
затравка не нагрелась и сама не расплавилась. Та-
кая процедура идет не намного быстрее, чем растет
гриб после хорошего дождя. Зато уж получается ве-
ликолепный монокристалл — крупный, однородный,
правильный. Примеси, которые хуже растворимы
в твердой фазе, как и при зонной плавке, не перехо-
дят в кристалл.
101
Признаться, и этот метод небезгрешен. Вращение
приводит к винтовым сдвигам в кристаллической ре-
шетке вещества. Образуются дислокации.
Представьте себе, что из стены дома вывалился
кирпич. Или каменщик по небрежности уложил два
соседних кирпича на большем, чем обычно, расстоя-
нии. Ясно, что в этом месте появится нежелательная
«слабина». Так и в кристалле. Любое нарушение гео-
метрической правильности в атомной «кладке» ведет
к изменению свойств твердого тела. Например, элек-
трических. Полупроводник работает хуже. Кроме все-
го прочего, изъяны решетки (дислокации) уменьшают
прочность материала. А нельзя ли обойтись без каких
бы то ни было дефектов?
Очень трудно. Но ученые не устают искать методы
получения бездислокационных материалов. И, конеч-
но, находят.
На малюсенькой плиточке чистого кремния лежит
золотая крупинка. Оба элемента нагреваются в печи.
Образуется капелька сплава Si — Au. Над ней про-
дуваются пары четыреххлористого кремния в смеси
с водородом. Течет реакция: SiCl4 4- 2Н2—* Si 4- 4НС1.
Элементарный кремний из паров переходит в расплав,
пересыщая его и заставляя самого себя выкристалли-
зовываться. На плиточке под каплей отлагаются все
новые наслоения. Медленно, но верно начинает расти
столбик чистого кремния, похожий на мачту с жид-
кой нашлепкой сплава на клотике. В подобных пре-
паратах винтовые дислокации отсутствуют.
В последнее время ученые пристально присматри-
ваются к соединениям, возникающим в сплавах вы-
ходцев из III и V групп менделеевской таблицы. Ан-
тимониды, арсениды и фосфиды бора, алюминия, ин-
102
дия и галлия могут оказаться серьезными конкурен-
тами многих полупроводниковых материалов, уже
ставших традиционными.
Новички подают большие надежды и... внушают
немалые опасения.
Некоторые из них оказались прямо-таки с норо-
вом. Например, арсенид бора — BAs. Первый компо-
нент тугоплавок. А второй легколетуч. Как получить
их соединения? Сплавить оба вещества? Но ведь пер-
вое не успеет расплавиться, как второе уже испа-
рится!
Допустим, что мы синтезировали BAs. Предстоит
его лишь очистить. Скажем, зонной плавкой или вы-
тягиванием из расплава. Но как? Ведь если такое сое-
динение нагреть, то при нормальном давлении оно
разложится! Получится расплав бора и пары мышья-
ка. При охлаждении система не возвращается в ис-
ходное состояние — компоненты не объединяются
вновь. Чтобы этого не произошло, необходимо очень
сильное давление. Но очень трудно, а порой и про-
сто невозможно подобрать подходящие материалы
для тиглей и ампул, которые выдерживали бы боль-
шие давления, обладая одновременно хорошей терми-
ческой и химической стойкостью.
Подобные фокусы хорошо знакомы и металлур-
гам. Например, нельзя получить сплав вольфрама и
меди нагреванием: медь испарится раньше, чем рас-
плавится вольфрам. Приходится идти окольным пу-
тем. Смешивают порошки обоих компонентов. Удар
штампа — «слиток» готов. К сожалению, методы по-
103
рошковой металлургии не годятся в технологии полу-
проводников. Они дают материалы с зернистой струк-
турой. А нам нужны однородные монокристаллы.
Правда, не все соединения оказались отпетыми,
«неподдающимися». Например, для GaAs, GaSb, GaP,
InAs, InSb, InP, а также AsSb зонная плавка и вы-
тягивание монокристаллов все-таки удаются. Однако
и здесь летучесть второго компонента чинит препятст-
вия технологам. Чтобы разработать метод получения
или очистки такого соединения, приходится до тонко-
стей учитывать все его капризы. А это просто немыс-
лимо без детального изучения двойных систем мето-
дами физико-химического анализа.
В диаграммах состояния, помимо концентрации и
температуры, появляется третья переменная величи:
на — давление паров летучего компонента. Для каж-
дого давления строится свой график. Вот бы удалось
получить непрерывную последовательность диаграмм
для всех возможных значений давления! Тогда мы
бы увидели яркую иллюстрацию типичных топологи-
ческих преобразований, когда горный пейзаж посте-
пенно исчезает, уступая место одной из своих поло-
вин — «чайке». Точь-в-точь как у Льюиса Кэрролла
в его книге «Алиса в стране чудес»: «Кот исчезал
очень медленно, начиная с кончика хвоста и кончая
улыбкой, которая оставалась еще некоторое время
после того, как остальное скрылось»...
Для практических нужд обычно бывает достаточ-
но серии из нескольких картинок отдельно для каж-
дого случая. По ним, как по кинокадрам, можно
представить себе и промежуточные состояния. Анализ
состояний системы помогает выбрать наилучшие ус-
ловия для синтеза и очистки этих соединений.
104
Вот одна из физико-химических уловок в приру-
чении непокорных полупроводников.
В запаянной ампуле, из которой тщательно уда-
лен воздух, два мелкокристаллических вещества —
фосфид галлия и йод. Ампула нагревается, только
неравномерно. Тот конец, где йод, слабее. Но так, что-
бы он все-таки мог возгоняться. В горячей зоне начи-
нается реакция 4ОаРтв + 242газ-^4Са4газ + Р4 газ.
Она идет с поглощением тепла. Пары легколету-
чих продуктов распространяются по всему объему со-
судика. У более холодного конца ампулы процесс
идет в обратную сторону, уже с выделением тепла:
4GaJ газ + ₽4 газ * 4GaP ТВ + 2J2 газ
А пары йода отправляются за новыми порциями
фосфида. Кристаллы фосфида галлия, образованные
из паров, гораздо кр'упнее исходных. Так с парами
йода вещество переносится из одного конца ампулы
в другой, улучшая свои полупроводниковые свойства.
Недаром подобные реакции называются «транспорт-
ными».
Перед нами очередной прием, в котором блиста-
тельно реализованы идеи учения о фазовых и хими-
ческих равновесиях, лежащие в основе физико-хими-
ческого анализа. И где только эти идеи не получают
своего блистательного воплощения! Пожалуй, нет та-
кой области в науке и технике, где бы не звучал
язык курнаковской топологической химии.
I Прочность... Проблема номер один современной
техники. Сколько еще надо сделать, чтобы,
окончательно освободить человека от власти
слепых стихий!
105
Яростные судороги землетрясений еще способны
низвергнуть любые постройки, возведенные человеком:
Коварные тараны подводных рифов и плавучих ледя-
ных глыб еще страшны для самого крепкого борта.
Не всегда выстаивают мачты и провода под свистя-
щим напором урагана. Не каждая плотина выносит
настойчивые удары волн. Лопаются тросы, трескаются
трубы, ломаются рельсы, рушатся колонны. Понево-
ле приходится придавать конструкциям массивность,
фундаментальность. Неужели так будет вечно?
Если бы прочность материалов возросла вдруг
в сто раз! Гигантские сооружения стали бы из мас-
сивных ажурными, воздушными, тонкостенными.
В самое небо уперлись бы здания-иглы в сотни эта-
жей. Над водой повисли бы изящные полупрозрач-
ные фермы мостов. Автомобили, самолеты, экскава-
торы можно было бы переносить хоть на руках. Вот
только многие машины пришлось бы привязывать
к колышкам, чтобы порыв ветра не погнал их по
земле, как перекати-поле.
Сколь бы нереальным ни выглядел этот фантасти-
ческий этюд, он принадлежит не писателю-фантасту.
Ученому. Известному специалисту в области физико-
химической механики академику Ребиндеру.
— Представьте себе цепь, — говорит Петр Алек-
сандрович, — только не совсем обычную. В ней при-
мерно на каждые сто стальных звеньев приходится
одно бумажное. Прочность такой цепи определяется
свойствами именно самых слабых звеньев. Нечто по-
добное наблюдается и в структуре твердых тел.
Примерно каждое сотое расстояние между сосе-
дями по кристаллической решетке больше остальных,
одинаковых. Дислокации и есть те слабые звенья,
из-за которых реальная прочность материалов в сот-
ни раз ниже, чем у идеальных — воображаемых без-
дефектных твердых тел.
Железо. Ковкий тягучий металл. Проволочка из
него выдерживает всего 20 килограммов на квадрат-
ный миллиметр. В десять раз меньше, чем стальная.
А если приготовить кристаллы чистейшего железа без
геометрических изъянов, они будут в десять раз
прочнее стали! И такие кристаллы-иголки (их называ-
ют «усами») уже получены в лабораториях. Получе-
ны физико-химическими методами—осаждением же-
леза из газовой фазы. К сожалению, пока они слиш-
ком крохотны, эти «усы». Их увидишь лишь под мик-
роскопом. Но разве не с малого начинается великое?
Правда, академик Ребиндер считает самым обна-
деживающим иной путь. К прочности — через разру-
шение! Парадокс? Ничуть. Сначала расколоть твер-
дое тело по всем дефектам. Оно распадется на отдель-
ные куски, словно стальная цепь с разорванными бу-
мажными звеньями. А теперь сцементировать кусоч-
ки тончайшими прослойками высокопрочного клея.
Давно известно, что тонкие нити, пленки или про-»
сто мелкие зернышки, размеры которых примерно
равны расстояниям между дефектами, всегда гораздо
прочнее, чем массивные глыбы того же материала.
В крупных кусках больше слабых звеньев. Вот поче-
му будущее принадлежит материалам, составленным
из множества тончайших волокон, пленок, зерен.
Можно обойтись и без специального клея. Надо
только очень плотно упаковать крупинки, чтобы они
притерлись, приноровились друг к другу. Для этого
мелкозернистую массу прессуют. И спекают — нагре-
вают до температуры чуть ниже точки плавления.
W7
Мелкозернистые структуры возникают и при кри-
сталлизации из жидкости.
Бетон. Самые высокие здания, самые большие пло-
тины, самые лучшие шоссе построены из него. Меж-
ду тем этот материал может стать намного прочнее,
если умело управлять процессами отвердевания це-
мента. Этим нелегким искусством овладевают ученые
с кафедры коллоидной химии МГУ, руководимой
Петром Александровичем Ребиндером
При замешивании с водой цемента и его ближай-
ших сородичей: негашеной извести СаО и полувод-
ного гипса 2CaSO4-H2O — образуется густая паста.
Твердые частицы начинают растворяться в воде. Об-
разуются новые химические индивиды — гидраты. На-
пример, гидраты силикатов и алюминатов кальция из
обычного портландцемента. Двуводный гипс CaSO4*
•2Н2О из полуводного. Гашеная известь Са(ОН)2 из
негашеной. Эти предельно оводненные соединения ме-
нее растворимы в воде, чем те вещества, из которых
они образовались. Раствор по отношению к ним ока-
зывается пересыщенным. Поэтому гидраты выкри-
сталлизовываются из него. Появляются мельчайшие
крупинки-зародыши. Их мириады. И они растут, сли-
паясь в рыхлую поначалу массу, этакое простран-
ственное кружево. А порошок вяжущего вещества
(скажем, цемента) не перестает растворяться.
Раствор все время остается пересыщенным. Кристал-
лизация продолжается. Рыхлая структура становит-
ся плотнее и плотнее. И так до тех пор, пока все
первичные крупицы не «перетопятся» через раствор,
превратившись в более устойчивую форму .— кри-
сталлогидратную.
Если вода в избытке, дело плохо. Испаряясь, она
108
оставит поры открытыми. А чуть похолодает» капель-
ки могут вернуться в свои «норы*. чтобы зимой за-
мерзнуть, расшириться н заставить бетой трещать по
всем швам. Если же воды мало - тоже плохо. Не
все крупинки вяжущего перейдут в гидратную форму.
Очевидно, растворителя должно брать столько же,
сколько и растворяющегося вещества. Правда, тогда
паста получается такой густой, что ее частицам труд-
но подгоняться друг к другу. Л без этого материал не
станет предельно плотным и однородным. Вот поче-
му академик Ребиндер предлагает добавлять в массу
поверхностно-активные вещества, играющие роль
смазки для частичек. И уплотнять смесь высокоча-
стотной вибрацией. Быстрые колебания как бы раз-
жижают смесь, не увеличивая количество раствори-
теля. Новая технология позволяет до минимума со-
кратить добавки воды. Л это резко повышает качест-
во бетона — его прочность, стойкость, долговечность.
Перегонка химических веществ через раствор в це-
ментной кашице. Транспортные реакции в ампуле
с фосфидом галлия. Выделение бездислокацпонпых
кристаллов из паров. Фазовые равновесия в изложни-
це и пробирке, в недрах Земли и пучинах моря —
сколько разных процессов, и все они доступны стро-
гому описанию языком топологической химии! А без
этого описания было бы невозможно понять тончай-
шие механизмы явлений. Понять, чтобы овладеть ими
и направить их ход в нужное русло. Затем, чтобы обе-
зоружить землетрясения и ураганы. Чтобы создать
невиданные природой материалы. Чтобы добыть из
земли и воды новые химические богатства. Чтобы
приблизить окончательное торжество человеческого
разума над слепыми силами стихии.
В мире странных
архитектур
Все было изумительно просто. «Заглянуть внутрь
атома? О мсье, это же ровным счетом ничего не
стоит! Входите, пожалуйста, входите!» С этими сло-
вами бой нажимал кнопку скоростного лифта —
и 20 секунд спустя вы оказывались в ста метрах над
землей. Сейчас распахнется дверь и...
111
Каков он, этот странный мир, который никто и
никогда не видел, даже в самый мощный электрон-
ный микроскоп? Неужто и впрямь такой, каким его
изображают в учебнике физики: что-то вроде солнеч-
ной системы в миниатюре: в центре светило-ядро,
а вокруг планетки-электроны? Судя по масштабам
сооружения, каждая такая планетка уж никак не
меньше той, на которой обитал Маленький принц из
поэтичной сказки Антуана де Сент-Экзюпери...
Для начала читателю предлагается прокатиться
на лифте и эскалаторе, чтобы хоть как-то
освоиться с непривычной обстановкой, которая
в дальнейшем окажется не слишком комфорта-
бельной.
Но что это? В раскрытые двери остановившегося
подъемника видны не планетки-электроны, кружа-
щиеся в плавном танце около Солнца-ядра, а непод-
вижные тонконогие кресла, сгрудившиеся вокруг по-
современному приземистых столов. Вместо захваты-
вающей картины микромира — прозаическая сутоло-
ка шикарного ресторана...
«Если мсье здесь не нравится, он может опустить-
ся по эскалаторам в остальные восемь атомов!»
Атомов.. Ох. уж эта реклама! Без привычки ни
за что не отличить, где правда, а где вымысел. Чего
стоит весь этот комфорт, когда нет даже намека на
сокровенные тайны микромира?
Зато вечером разочарованных посетителей «Ато-
миума», грандиозного инженерного сооружения на
112
Всемирной брюссельской выставке, поджидал сюр-
приз. Не успевали выцвести последние бледные кра-
ски заката, как густую синеву летних сумерек прон-
зали серебристые лезвия лучей. Скользя по сверкаю-
щей поверхности гигантских стальных шаров, они соз-
давали полную иллюзию движения электронов. То бы-
ло поистине фантастическое зрелище: многократно
отраженные световые пятна преображали массивную
громаду «Атомиума», делали ее легкой, еще более
ажурной, почти призрачной. Нет, пожалуй, даже
ради одной этой ночной феерии стоило сооружать
грандиозную модель кристаллической решетки же-
леза!
Эффектно, не правда ли? А главное, просто: вклю-
чил прожектор — и картина электронной структуры
как на ладони.
Увы, с реальными атомными «архитектурами» ку-
да сложнее. Электронные постройки микромира, не-
смотря на изумительное совершенство и гармонию,
не отличаются той геометрической четкостью, которую
архитектор придал «Атомиуму». А их инженерный
расчет — и вовсе не такая простая штука.
Химики хорошо знают, что вокруг ядра атома же-
леза вращаются 26 электронов. А математики помнят:
положение каждого электрона в пространстве опреде-
ляется тремя координатами. Значит, в простейшем
уравнении, описывающем только одно энергетическое
состояние атома железа, будут фигурировать 78 пе-
ременных. Точное решение уравнения потребовало бы
вычисления 1078 значений различных физических ве-
личин. Чтобы напечатать подобную таблицу, не хва-
тило бы не только всей бумаги Земли, но и вообще
вещества в солнечной системе.
3 Л. Бобров
113
Впрочем, что говорить о железе! Полный точный
расчет выполнен пока лишь для атома Водорода.
Между тем химиков чрезвычайно интересуют элек-
тронные состояния не только простейшего представи-
теля менделеевской таблицы. Им подавай и углерод,
и азот, и кислород, да к тому же не поодиночке,
а в компании с другими элементами. Да чтобы эта
«компания» оказалась молекулой, соединения, важ-
ного в практическом и теоретическом отношении. Вро-
де полупроводника, полимера или — страшно поду-
мать! — живого белка.
Правда, здесь нас подстерегает другой — каверз-
ный, хотя и вполне естественный, — вопрос: а зачем?
Зачем, собственно, понадобилось .втискивать все раз-
нообразие химических явлений в прокрустово ложе
математических формул и уравнений?
| Человеку свойственно ошибаться.
Незадолго до второй мировой войны Альберту
Эйнштейну был задан вопрос: удастся ли в ближай-
шие столетия овладеть энергией расщепленного
атома?
— О, это совершенно исключено! — убежденно от-
ветил величайший физик XX века.
Эйнштейн не был одинок в своем скептицизме.
Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и другие маститые уче-
ные-атомники разделяли его сомнения. Заметьте: то
были умы, заложившие математический фундамент
новой физики. Теория относительности. Модель ато-
ма. Кванты. Теоретические представления, неузнавае-
Н4
мо изменившие классическую картину мира. Но даже
сами творцы считали их долгое время бесплодными —
разумеется, с точки зрения практического использо-
вания в технике. Однако не прошло и десяти лет, как
Энрико Ферми запустил первый в мире атомный ре-
актор. Человек оказался властелином гигантских за-
пасов энергии, спрятанных в недрах крупинки веще-
ства.
Все это рассказано не только ради того, чтобы
сделать тривиальный вывод: дескать, даже сугубо
теоретические изыскания находят неожиданный вы-
ход в практику. Любопытно здесь скорее другое. В те
годы, когда физики авторитетно разбивали надежды
на покорение расщепленного атома, математический
аппарат современной физики окончательно сформиро-
вался. Во всяком случае, уже родилась квантовая ме-
ханика. Между тем, когда Бор приступал к расчетам
своей модели водородного атома, волновое уравнение
Шредингера, лежащее в основе всех квантово-механи-
ческих расчетов, еще не было выведено. Оно увидело
свет лишь через десять лет.
А ведь Бор мог бы засомневаться. Во-первых, уче-
ный и догадываться не мог, что его атомная конст-
рукция может когда-то принести практическую поль-
зу. Во-вторых, он не был убежден и в теоретическом
успехе. Тем не менее датский физик не терзался сом-
нениями: стоит или не стоит? Стоит!
И пусть его теоретический расчет не совпал с экс-
периментальными данными. В конце концов отри-
цательный результат — тоже результат! Он недву-
смысленно свидетельствует: либо математические
приемы несовершенны, либо рассчитываемая модель
не без изъяна. В обоих случаях неугомонный физик
8* 115
ни за что не спросит: «А стоит ли?» Он не отступится
до тех пор, пока не достигнет желанной цели. И опять
бесконечная череда раздумий и экспериментов, ус-
пехов и разочарований, сомнений и надежд...
Да, Нильсу Бору стоило идти неторной тропой!
Стоило, хотя и не на его долю выпала честь стать
создателехМ квантовой механики в ее современной фор-
ме — математической основы всей современной фи-
зики. К этому открытию пришли другие ученые. Их бы-
ло двое: Вернер Гейзенберг и несколько позже Эрвин
Шредингер. Первый исходил из экспериментальных
данных, второй — из чисто математических соображе-
ний. И что самое поразительное — именно математи-
ческая неудача привела к новому и важному физи-
ческому открытию!
«Шредингер рассказывал мне, — вспоминает из-
вестный физик Поль Дирак, — что, впервые выведя
свое уравнение, он немедленно применил его для опи-
сания поведения электрона в атоме водорода, но ре-
зультаты вычислений не совпали с опытными данны-
ми. Автор, естественно, был глубоко разочарован и
несколько месяцев не возвращался к теме исследова-
116
ния. Затем он обнаружил, что если не учитывать не-
которых требовании теории относительности, то в при-
ближенном виде его теоретические выводы хороню бу-
дут согласованы с экспериментальными результата-
ми. Именно в таком грубом приближении волновое
уравнение Шредингера и увидело свет».
Какое открытие было вызвано расхождением
расчета и опыта, читатель узнает на странице
144.
Сейчас нам важно одно: математический подход
к явлениям природы — идет ли речь об атоме или
молекуле, кристалле или клетке — не только право-
мерен, но и плодотворен.
«Но позвольте, — поспешит возразить читатель, —
все приведенные до сих пор аргументы в пользу ма-
тематизации относились к физике! А как же быть
с химией и биологией?»
Физика есть механика молекул, химия есть физика
атома, биология есть химия белка... Трудно поверить,
что эти слова были произнесены почти столетие на-
зад. Но факт остается фактом: они принадлежат
Фридриху Энгельсу, Минула эпоха. Науку и общест-
117
во не раз потрясали революции. Однако ни одно от-
крытие не поколебало справедливости энгельсовского
высказывания. И никому еще не удалось более точно,
более лаконично и, если угодно, более афористично
определить внутреннюю взаимосвязь между ведущи-
ми областями естествознания.
Когда мы говорим: «атом делим», мы имеем в ви-
ду два обстоятельства. Во-первых, он состоит из эле-
ментарных частиц: протонов, нейтронов, электронов
и так далее. Во-вторых, может распадаться в резуль-
тате радиоактивного превращения.
(Этот третий не лишний ли? Быть может, пора
издать «закон исключенного третьего»?
Но, помимо всего прочего, атом оказался делимым
еще и в третьем смысле! Он поделен на «сферы влия-
ния». Атомное ядро сделали объектом изучения фи-
зики. Зато электроны облюбовали прежде всего хи-
мики. Оно и понятно: любое химическое превраще-
ние связано с перестройкой электронных «архитек-
тур». На более высоких уровнях тоже отмечается тя-
готение к «местничеству». Физики узурпировали
власть над кристаллами, химики — над молекулами.
В фокусе внимания биологов по-прежнему находится
клетка. Неспроста, видать, на той же Брюссельской
выставке 1958 года, где высилась громада «Атомиу-
ма», каждой области знаний в одном из павильонов
был отведен свой уголок. Разделы так и называ-
лись: «Атомное ядро», «Атом», «Кристалл», «Клетка».
Дескать, всяк сверчок знай свой шесток!
118
Но природа не признает никаких «демаркацион-
ных линий»: она едина.
Ядро и электрон — части атома. Атом — часть
молекулы. Молекула — часть кристалла или клетки.
Клетка — часть организма. Сколько разных архитек-
турных стилей! А кирпичики — одни и те же.
В одном из сочинений Вольтера мы встречаемся
с мудрецом Задигом. Он умел видеть различия меж-
ду вещами, которые простым смертным казались аб-
солютно одинаковыми. Гораздо труднее усмотреть то
общее, *что объединяет совершенно разнородные на
первый взгляд предметы и явления.
Древо познания становится все ветвистее, а спе-
циализация ученых все уже и уже. Углубление в част-
ные проблемы — вещь хорошая. Именно оно позво-
ляет собрать богатейшую коллекцию эксперименталь-
ных наблюдений. А зачастую даже и разработать свой
теоретический подход. При этом, случается, ученые,
занятые близкими темами исследования, подобно
строителям Вавилонской башни, вдруг теряют общий
язык. Но такова уж диалектика научного прогресса:
через накопление частных фактов человеческая мысль
идет к широким обобщениям!
Современная физика, химия и биология подошли
к такому рубежу, когда наметился общий подход
к самым далеким явлениям, на самых разных уров-
нях — от элементарных частиц до думающего мозга.
Такое взаимопонимание породили физика и ее сестра
математика. Значит ли это, что химические или, ска-
жем, биологические процессы не имеют своей «осо-
бинки», своей специфики?
Живое и неживое. Существо и вещество... Они со-
ставлены из одинаковых «кирпичиков». Но разве не
119
отличить холодную статую от живого оригинала, пусть
даже она схожа с ним, как две капли воды?
Рассказывают, в музее мадам Тюссо в Лондоне
представлены восковые копии некоторых усопших
знаменитостей. Сделанные в натуральный рост, с мер-
но вздымающейся и опускающейся (от моторчика)
грудью, с мигающими ресницами, искусно подкрашен-
ные, они так похожи на живых людей, что смущенные
посетители невольно отшатываются; уж не мертвецы
ли воскресли?
Нет, это куклы. Правда, воск — скопление органи-
ческих веществ. Живая ткань — тоже. Тем не менее
никому еще не удалось вдохнуть жизнь в мертвую
статую подобно мифическому Пигмалиону. Впрочем,
что там живой организм! Биохимики не знают еще,
как синтезировать простейшие клеточные «детали».
I Помните, у Чехова: дважды два — стеариновая
свечка? Если бы органические молекулы и
вправду подчинялись арифметике! Как это было
бы хорошо! Для математики, И как это было
бы плохо... для математиков.
Да, конечно, живое от неживого отделено незри-
мым барьером. И, конечно, биологии свойственны свои
закономерности. Взять, к примеру, мозг. Он состоит
из 15 миллиардов клеток. Молекулы любой клетки
из миллиомов атомов. Это ни в коей мере не озна-
чает, что нам достаточно проинтегрировать (просум-
мировать) сведения об атомах, чтобы из кусочков
составить мозаичное панно под названием «Мозг».
120
Шедевр инженерного искусства природы, заклю-
ченный в нашей черепной коробке, собран из сравни-
тельно простых деталей. По в том-то и беда, нет, вер-
нее, в том-то и счастье, что свойства этих элементов
неаддитивны! Таким термином математик обозначает
нарушение обычного закона сложения. Действительно,
мозг не просто арифметическая сумма клеток. Напро-
тив, это сложнейший мир, изумительный своей гармо-
ничной целостностью, намного превосходящий богат-
ством функций любую индивидуальную клетку. Вот
почему физика и химия, даже во всеоружии матема-
тических идей, нс способны подменить науку о жиз-
ни — биологию.
Впрочем, они вовсе и не собираются этого делать!
Ясно, что изучение стройматериалов еще не есть
архитектура. Тогда, выходит, оправдано существова-
ние межей на ниве знаний? Нет, тысячу раз нет! Ма-
тематики, физики, химики и биологи — это не армии,
выведенные на линию огня. Более того: они не про-
сто представители держав, мирно сосуществующих по
разные стороны от бдительно охраняемой границы.
Это, если так можно выразиться, дружные бригады
рабочих, врубающихся в гранит науки. С разных кон-
цов, но с единой целью — ради победы разума над
незнанием.
На первый взгляд подобное умозаключение выгля-
дит трюизмом — этакой банальной, избитой истиной,
затертой, словно старый пятак. Между тем инерция
традиций дает себя знать до сих пор, особенно среди
биологов. Не умолкают дискуссии: принимать или не
принимать физические и математические идеи в арсе-
нал биологических методов? Дескать, «зачем»? Био-
логия запросто обходилась и без них. А поветрие все-
121
общей математизации — не более как дань скоропре-
ходящей моде. Так ли это?
Быть или не быть? Вот в чем вопрос квантовой
биологии.
Предоставим слово видному советскому биофизи-
ку профессору Тумерману.
— Как и все новое, — говорит Лев Абрамович, —
свежие идеи прокладывают себе путь не без борьбы
и сопротивления. Что ж, это естественно. Мне хоте-
лось бы все же разъяснить одно недоразумение. До-
статочно произнести слова «квантово-механическая
биология», как в воображении людей (особенно тех,
кто далек от физики) всплывают страницы, испещ-
ренные двухэтажными курсивами дифференциальных
уравнений, змееподобными зигзагами интегралов,
многоярусными колонками цифр — другими словами,
головоломными расчетами, сложнейшими формулами,
абстрактной символикой. Как тут не отшатнуться при-
верженцу классической биологии! А напрасно. К ве-
личайшему сожалению для физиков-теоретиков, но,
правду сказать, к тайной радости для нас, физиков-
экспериментаторов, пока что рано говорить о тоталь-
ной квантово-механической математизации биохимии
и биологии.
Действительно, точному квантово-механическому
расчету поддается пока лишь весьма немноголюдная
«компания» биологических систем — раз, два и об-
челся. Не мозг. Не клетка. Даже не белковая молеку-
ла. Всего-навсего отдельные звенья биологически важ-
122
ных полимеров. Как говорится, не густо. Причем речь
идет об упрощенных полуколичественных оценках.
Но разве можно по первым скромным удачам су-
дить о перспективах новой науки? Тем более что точ-
ные математические подсчеты вовсе не исчерпывают
содержания, вкладываемого в понятие «квантово-ме-
ханическая биология»!
Важны не только и не столько квантово-механиче-
ские расчеты, хотя их роль и не следует преумень-
шать. Поиск интимнейших молекулярных механизмов,
которые управляют всеми движениями «души» и те-
ла, — вот на что нацелены усилия первопроходцев
неизведанной научной целины. Ибо трижды прав Эн-
гельс: биология есть химия белка...
Вглядитесь в то неописуемое выражение страда-
ния, которое родосские скульпторы Агесандр, Афи-
нодор и Полидор придали облику Лаокоона, изнемо-
гающего в схватке с питоном. Вглядитесь и вдумай-
тесь: и безысходное отчаяние Лаокоона, и тупая же-
стокость питона, и, наконец, вдохновение скульпто-
ров, создавших бессмертное изваяние, — все это ра-
бота сложной химической лаборатории, которую яв-
ляет собой живой организм.
IA нельзя ли любовь описать химическими
уравнениями?
Перефразируя известное изречение Сеченова, мож-
но сказать: смеется ли ребенок при виде игрушки,
улыбается ли Гарибальди, когда его гонят за излиш-
нюю любовь к родине, дрожит ли девушка при первой
123
мысли о любви, создает ли Ньютон мировые законы
и пишет их на бумаге, — за всем этим стоят удиви-
тельные химические метаморфозы.
Положим, вы любите сладкое. Однако сколько бы
пирожных или конфет вы ни съедали зараз, концент-
рация сахара у вас в крови будет оставаться на не-
изменном уровне — около миллиграмма в миллилит-
ре. И вот почему. Железы внутренней секреции выде-
ляют специальное вещество — инсулин. Это гормон.
Иными словами, катализатор. Он превращает избыток
сахара, вернее, ускоряет его превращение в нераство-
римый гликоген, оседающий в печени. Допустим те-
перь, что вы намеренно ограничиваете себя в сладо-
стях и в продуктах, содержащих крахмал. Значит ли
это, что содержание сахара в вашем организме упа-
дет? Ничуть. Другие железы выбрасывают в кровь
адреналин. Он катализирует обратный процесс — пе-
реход гликогена в растворимый сахар.
Такая химическая система обратной связи способ-
на компенсировать, уравновешивать внешние воздей-
ствия, поддерживая то или иное качество нашего ор-
ганизма в пределах нормы. Даже при большой мы-
шечной или нервной нагрузке.
Например, возбужденные болью нервные клетки
усиленно потребляют сахар и соединения фосфора,
выбрасывая в кровь соли кальция. Выделение хими-
ческого вещества адреналина, вызванное болью,
страхом, гневом, яростью, подталкивает работу пече-
ни, поставляющей организму биохимическое «топли-
во» — сахар. Количество сахара в крови увеличи-
вается, кровь приливает к сердцу, легким, централь-
ной нервной системе и конечностям, отхлынув от ор-
ганов брюшной полости.
124
Если помните, пушкинского Онегина одолевал не-
дуг, «подобный английскому сплину, короче, русская
хандра». Иногда это состояние именуют так: тоска
зеленая. А она, оказывается, вовсе не зеленая. Адре-
налиновая!
Действительный член Академии медицинских наук
Петр Кузьмич Анохин обнаружил, что все отрицатель-
ные эмоции человека - - тоска, страх, горе - - связаны
с выбросом в кровь большого количества адренали-
на. Разрушить избыток адреналина в некоторых моз-
говых клетках значило бы предотвратить тоску или
страх.
125
Недавно было установлено, что группы подкорко-
вых клеток, где зарождаются те или иные психиче-
ские состояния, отличаются по химическому составу.
Иными словами, существует химия радости и печали,
трусости и отваги.
Химия наших мыслей и чувств.,, А если говорить
строже? Это и есть тонкие механизмы межатом-
ного взаимодействия, которые ждут, когда их опишут
четким и емким математическим языком квантовой
механики!
Несколько лет назад на прилавках появилась
скромная книжка Альберта Сент-Дьердьи под мало-
привлекательным заглавием «Биоэнергетика». Увле-
кательно написанная, изобилующая оригинальными
идеями, она завершалась утверждением автора: «Я не
сомневаюсь в том, что наш век будет свидетелем глу-
бокой революции в биологии, становления квантово-
механической биохимии, построенной над зданием
биохимии лукрецианской».
Когда Тит Лукреций Кар в своей поэме «О при-
роде вещей» пытался втиснуть в певучий гекзаметр
античные представления об атоме, химикам, вернее
алхимикам, было известно не более дюжины простых
веществ, которые мы сейчас называем элементами.
Минули два тысячелетия. Появился периодический за-
кон. Число заполненных клеток менделеевской таб-
лицы перевалило за восьмой десяток, а представле-
ния о неделимых кирпичиках материи оставались те-
ми же, что и в эпоху Лукреция.
Гениальная ошибка античных философов: «атом»
значит «неделимый»,
126
Правда, уже давно сформировался химический
язык букв и черточек. Введенная Александром Ми-
хайловичем Бутлеровым символика стала одним из
величайших достижений человеческого гения. Опа
просто и наглядно демонстрировал;! пространствен-
ную структуру молекул, ее разрушение и созидание
в ходе химических реакций. Без нее был просто не-
мыслим тот гигантский прогресс органического синте-
за, которым заслуженно гордились ученые XIX века.
Но за латинскими символами элементов химикам
рисовались неделимые атомы Лукреция. «Лукрециап-
ская» концепция довлела и над биохимией, начавшей
расцветать еще в третьей четверти прошлого столетия.
А сегодня, когда миф о неделимости атома развеян?
Можно ли в наши дни изъясняться на «лукрециап-
ском» лексиконе?
Можно. Более того: необходимо. Но недостаточно!
Когда математическая задача без особых усилий
решается карандашом на клочке обычной писчей бу-
маги, незачем прибегать к дорогостоящим услугам
быстродействующей электронно-счетной машины. Ког-
да можно запросто обойтись лаконичной химической
формулой, громоздкое физико-математическое «укра-
шательство» ни к чему.
Темпы развития «лукрецианской» химии и биоло-
гии не снижаются. Напротив, чуть ли не каждый год
мы слышим о новых блистательных достижениях этих
маститых, но вечно молодых наук. А вот их юные
отпрыски — квантовая химия и квантовая биоло-
гия — не достигли еще зрелости и законченности
своих классических предшественниц. Они еще не опре-
делили ясно своего содержания, своих подходов
к проблемам. Из их достижений составился бы до-
127
вольно куцый реестр. И тем не менее уже отчетливо
наметились рубежи, за которыми старая химия и био-
логия бессильны. Ясен круг вопросов, на которые не-
возможно ответить, не перешагнув в новое измере-
ние — в мир явлений электронных. В странный мир,
где утратил свою силу кодекс классической физики,
где царят законы физики квантовой.
Что же такое квантовая химия и биология? Поче-
му они появились на свет? Что нового внесли в клас-
сический язык букв и черточек? Какие горизонты рас-
пахнули перед человечеством?
...Немало диковинок встречается в мире молекул.
С затейливыми названиями. С редкостными свойст-
вами. С увлекательной биографией. Но эти...
Их называют так: соединения с сопряженными
связями. Теми самыми, что придают молекулам по-
лимеров необычные свойства. Сверхпроводников, на-
пример. Полупроводников. Магнитов. Связями, кото-
рые вот уже без малого сто лет интригуют уче-
ных своей загадочностью. А началось все с простень-
кого архитектурного сооружения, простенького,
но куда более необычного, чем брюссельский «Ато-
миум».
(Забегая вперед, можно сказать, что между
«Атомиумом» и архитектурным сооружением
Кекуле есть прямая аналогия: оба они «метал-
личны».
Это сооружение воздвигли не из металла. Даже
не из камня.
128
Из чернильных черточек на бумаге. И оно понача-
лу вовсе не поражало воображение ни вычурностью
архитектуры, ни грандиозными масштабами. Напро-
тив, то был крохотный незатейливый шестиугольник.
Единственной достопримечательностью его было че-
редование двойных и единичных линий, обрисовывав-
ших стороны плоской фигуры. Но именно эта деталь
и смутила вскоре химиков.
Да, химиков, ибо автором шестиугольной конст-
рукции был не зодчий. Правда, Фридрих Август Ке-
куле, профессор Гентского университета, смолоду
и в самом деле собирался посвятить себя архитек-
туре. Но, к счастью, судьба распорядилась иначе.
Он стал архитектором от химии, талантливым кон-
структором молекулярных формул. И шедевром зод-
ческого искусства Кекуле по праву считается шести-
угольная формула бензола, опубликованная им
в 1865 году.
Шедевром? Искусства? Но к чему этот выспрен-
ний «штиль»? Любой старшеклассник изобразит вам
пространственную схему дюжины куда более слож-
ных соединений! И даже досконально объяснит, по-
чему и куда должны быть направлены черточки в лю-
бой сложной структуре. Объяснит, жонглируя поня-
тиями «валентность», «электронная конфигурация»,
«сопряженные связи».
Порой нам if невдомек, что многие азбучные исти-
ны, которые любой школьник затвердит в один при-
сест по четким абзацам учебника, в свое время ока-
зались величайшим научным откровением, принятым
после длительных споров. Сто лет назад таким откро-
вением стала теория химического строения. Она бы-
ла изложена казанским профессором Бутлеровым
9 Л. Бобров
129
всего лишь за четыре года до появления на свет фор-
мулы Кекуле. Формулы, которая вполне могла и не
появиться на свет, если бы Кекуле не пришел к тем
же взглядам, что и Бутлеров. Ибо в те времена ожив-
ленно дискутировался даже такой ясный для нас во-
прос: а можно ли вообще изобразить строение веще-
ства единой формулой?
Мы знаем: водород одновалентен. Иными словами,
может вступать в химическую связь только с одним
атомом. Эта единичная связь изображается черточкой.
Валентность углерода равна четырем. Значит, каж-
дый его атом располагает набором из четырех свя-
зей-черточек. Весь комплект штрихов в случае бензо-
ла расходуется на установление межатомных контак-
тов между шестью атомами С и столькими же атома-
ми Н. Простенькая геометрическая комбинация! А в те
годы, когда Кекуле принялся возводить свою знамени-
тую архитектуру, валентный штрих был непроверен-
ным нововведением.
Поначалу строительство шло гладко. Как говорит-
ся, без сучка и задоринки. Кекуле отлично знал, что
в бензольной цепочке все атомы углерода равноцен-
ны. Ага, рассуждал он, цепочка не может быть ра-
зомкнутой. Иначе краевые звенья отличались бы по
химическим свойствам от тех, что в середине. И вот
на свет появился замкнутый цикл. Шестичленное коль-
цо, в котором ординарные и двойные связи между
атомами углерода чередуются. Ради краткости в фор-
муле латинские символы углерода и водорода, а так-
же штрихи, обозначающие связь между С и Н, опу-
скаются. Получается голый скелет, составленный из
СС связей. И надо же было так случиться, что ске-
лет оказался призраком!
130
Читатель! Чувствуя собственное превосходство,
не забывай: своей эрудицией ты обязан и ошиб-
кам, на которых учились наши предки.
Формула бензола стала величайшим откровением
своего времени и наряду с этим... величайшим за*
блуждением. «В бензоле нет обычных двойных свя-
зей», — напишет вскоре Кекуле, чтобы тем самым по-
ставить перед наукой проблему, которая неразрешима
в рамках классической теории химического строения.
Да, чередование одиночных и двойных штрихов
в бензольном кольце оказалось фикцией. В физиче-
ском смысле слова. Правда, фикцией удобной —- в хи-
мическом смысле слова. Настолько удобной, что орга-
ники до сей поры используют в своих длинных вы-
кладках элегантную конструкцию Кекуле. Что ж, хи-
микам вполне достаточно, что формула наглядно от-
ражает картину целочисленных межатомных взаимо-
отношений при любых превращениях бензола, наблю-
даемых в пробирке. И впрямь: к чему эксперимента-
торам вдаваться в физический смысл валентного
штриха? Но дотошным химикам-теоретикам, а осо-
бенно физикам... Не счесть, сколько хлопот достави-
ла им структура Кекуле!
С одной стороны, формула вроде бы правильна.
Во-первых, потому, что в ней действительно присутст-
вуют три двойные связи. Доказательство? Пожалуй-
ста: бензол присоединяет ровно шесть атомов водо-
рода — по паре на каждую двойную связь, разрыва-
ющуюся в процессе реакции. Во-вторых, двойные свя-
зи чередуются. Это подтверждается тем, что, бензол
можно получить из трех молекул ацетилена НС^НС.
9* 131
Каждая из них напоминает шейку трехструнной
балалайки. Представьте, что у всех трех инструмен-
тов лопнуло по одной струне. Осталось три грифа
с двумя струнами и с двумя обрывками каждый. Не-
трудно соединить теперь обрывок струны одной ба-
лалайки с обрывком другой. Два обрывка, скреплен-
ных воедино, — модель ординарной связи. Совершен-
но очевидно, что связанные струны оказались между
двухструнными балалайками. Так что никуда не де-
нешься: ординарные и двойные связи в бензоле
должны чередоваться...
Должны... Но чередуются ли?
Есть такое вещество — ортодихлорбензол. Его по-
лучить несложно — стоит только на две соседние вер-
шины бензольного шестиугольника «посадить» по
атому хлора взамен атомов водорода. Если справед-
лива формула Кекуле, то возможны два варианта
структуры ортодихлорбензола:
когда между атомами хлора заключена двойная связь
и когда между ними связь ординарная.
Химический состав один. А физические свойства
должны разниться! Хотя бы ненамного. Между тем
известен лишь один-единственный тип ортодихлорбен-
132
зола. Выходит, ординарная цдвойная связь равнознач-
ны? Но это же противоречит фундаментальнейшему
положению бутлеровской теории химического строе*
ния! Да и разговоры о чередовании утрачивают вся-
кий смысл...
Химики заметались, мучительно отыскивая выход
из тупика. Дьюар предложил симметричную структу-
ру бензола, в которой одна из связен соединяла не со-
седние, как у Кекуле, а противолежащие вершины.
Посыпались формулы с перекрестными валентными
штрихами:
Была даже предпринята попытка вырваться из пло-
скости и возвести объемную архитектуру в виде трех-
гранной призмы с атомами углерода в шести ее вер-
шинах. Но, увы, все поползновения сохранить цело-
численность межатомного взаимодействия, приписы-
ваемую валентному штриху, оставались тщетными.
Новые постройки грешили еще более уродливыми не-
сообразностями, чем классическая конструкция Ке-
куле...
133
Тогда Тиле, коллега и соотечественник Кекуле, от-
вергнув табу целочисленности, нарисовал внутри бен-
зольного шестигранника пунктирную оторочку. Взяв
от каждой двойной связи по одному валентному
штриху, он расщепил их на шесть половинных!
В лицо теории строения был брошен прямой вы-
зов. Но, увы, робкая догадка Тиле опиралась всего
лишь на зыбкую почву интуиции.
А Кекуле? Родительская слепота не мешала ему
видеть пороки своего детища. Сомнения привели уче-
ного к осцилляционной гипотезе. Дескать, двойные и
единичные штрихи непрерывно меняются местами.
И реальное состояние бензола — дрожь, непрерывная
вибрация сопряженных связей. Иными словами, мгно-
венные превращения прежней формулы Кекуле в ее
зеркальное отображение:
Выходило, будто одному соединению присущи две
разные формулы! Архитектор собственноручно взры-
вал фундамент, на котором стояло его сооружение, —
бутлеровскую теорию строения. Осциллирующие бен-
зольные кольца Кекуле оказались изящными шести-
угольными обручами, которые скрепляли гнилые дос-
ки пустого теоретического бочонка...
Теоретическая химия переживала кризис.
Парадокс бензола взбудоражил умы. Химики по-
няли, что без помощи физиков им не разобраться
в загадке сопряженных связей и вообще в природе ва-
134
лентности. Химия ждала» с надеждой взирая на
физику...
И вот в 1897 году на арену вышел электрон. Мель-
чайший шарик электричества, он всколыхнул тх>бра-
жение ученых. Еще бы: когда его обмерили и взвеси-
ли, оказалось, что он меньше самого крохотного
атома!
1Как оказалось позднее, он вовсе не шарик!
Но, не поиграв в эти шарики, химики не создали
бы теорию химической связи.
Не из таких ли более мелких кирпичиков состоит
сам «неделимый»? И уж коли он нейтрален, то отри-
цательный заряд, обусловленный присутствием элект-
ронов, автоматически заставляет предположить и су-
ществование в атоме электроположительных деталей.
Если пользоваться терминологией Берцелиуса, уже
не молекула, а атом имел двойственную электриче-
скую природу.
Два года спустя Абегг и Бодлендер высказали ги-
потезу: молекула — система электрических зарядов!
Теперь, когда ученые уверовали в дробимость атома
Лукреция, одну и ту же частицу молекулы можно бы-
ло представить себе либо электроотрицательной, ли-
бо электроположительной. Все зависело от соотно-
шения статей «приход» и «расход» в атомной бухгал-
терии. Равенство того и другого соответствовало ста-
тусу нейтрального атома: положительные заряды
полностью уравновешены противоположно заряжен-
ными электронами. Стоило, однако, в графе «расход»
вычеркнуть один или несколько электронов, как атом
135
тотчас превращался в ион со знаком «плюс». Если
же в «атомном гроссбухе» регистрировалась элект-
ронная «прибыль», ион оказывался заряженным от-
рицательно. А разноименные ионы, как известно, тя-
готеют друг к другу. Не здесь ли таилась загадка
химической связи? Не к обмену ли электронов меж-
ду атомами сводится химическое взаимодействие?
Загадок было больше, чем догадок. На стройный
парусник лукрецианской химии обрушился девятый
вал новых экспериментальных фактов, новых теоре-
тических идей.
Трудно назвать точную дату, когда началась исто-
рия новой химии. Революция назревала подспудно.
Но несомненно, что одной из самых знаменательных
вех в химии стало физическое обоснование менделеев-
ского закона. Выяснилось, что порядковый номер
каждого элемента равен положительному заряду яд-
ра, а отсюда — и количеству вращающихся вокруг
136
него электронов. Периодичность в химических свой-
ствах была поставлена в зависимость от числа элект-
ронов на внешней орбите. Именно они обусловливали
валентность атомов в химических соединениях.
Но как? Каким образом возникали валентные связи?
Что представляла собой физически электронная
архитектура молекулы?
Казалось бы, куда пройде: вот два нейтральных
атома, скажем натрия и хлора, решили объединить-
ся в коллектив. Вокруг ядра у натрия вращается
11 электронов. Из них на внешней орбите — один.
Но атом натрия не отличается скупостью. Напротив,
ему легко распроститься со своим единственным ва-
лентным электроном, чтобы превратиться в однозаряд-
ный положительный поп Na+. Атом хлора готов вос-
пользоваться любезностью партнера и дополнить кол-
лекцию своих валентных электронов до восьми. При-
ютив изгнанника, он станет отрицательным ионом С1~.
Между разноименными ионами возникнет сила притя-
жения. Молекула готова: Na + Cl“. Теряя электрон,
атом натрия приобретает напарника.
137
Зато уж если бы примеру натрия захотел после-
довать кальций, ему для компании понадобились бы
целых два атома хлора. И вовсе не потому, что он
общительней (химик скажет: активнее), чем натрий.
Напротив, кальций с большим трудом расстается
с валентными электронами и, стало быть, с меньшей
легкостью вступает в химические союзы. Но уж ко-
ли расстается, то именно с электронами, а не элект-
роном: их у него пара. И оба он готов отдать своему
напарнику. А тому такая щедрость вовсе ни к чему.
Атом хлора способен приютить на своей внешней
орбите лишь одного-единственного «чужеземца». Ибо
только в этом случае он обретет устойчивую элект-
ронную конфигурацию инертного газа с октетом
(восьмеркой) электронов на внешней орбите. Вот по-
чему другой электрон кальция вынужден искать се-
бе пристанища у второго атома хлора. Впрочем, ли-
шившись обоих валентных электронов, атом кальция
тоже обзаведется устойчивым октетом на своей внеш-
ней орбите. И натрия тоже. И вообще любого эле-
мента, способного связывать свою судьбу с другим
элементом электровалентными узами.
Этот гипотетический набросок был предложен не-
мецким ученым Косселем. Правда, при всей своей
простоте и стройности теория электровалентной связи
была бессильна объяснить, как возникают электрон-
ные постройки при сближении одинаковых или близ-
ких по свойствам атомов. Молекулы Ch, Н2, N2,
а также почти всех органических соединений остава-
лись за бортом новой теории. Бутлеровская черточка
еще не заговорила математически строгим языком
новой физики.
Смысл валентного штриха прояснила гипотеза ко-
<38
валентной связи Льюиса: это пара взаимодействую-
щих электронов. По одному от каждого из атомов-
партнеров, объединившихся в молекулу. В структур-
ные формулы вместо штриха Льюис стал вводить две
точки — знак дублета (двух обобществленных
электронов). Простейший пример ковалентной свя-
зи — молекула водорода Н: Н. И более сложный:
и н
С:.'С
• • • •
н к
Льюисовское двоеточие означало, разумеется, не
просто сумму двух электронов. Оно подразумевало,
что каждый электрон, вращающийся около ядра, по-
добно спутнику вокруг Земли, вступив в союз со сво-
им напарником, вынужден изменить прежнюю траек-
торию. Ибо его теперь притягивает еще и вторая
планета — ядро атома-соседа.
Эти элементарные сведения нам пригодятся по-
том, как трамплин для прыжка в неизведанное.
У углерода шесть спутников-электронов. И две ор-
биты. На нижней — два спутника, на верхней — че-
тыре. Но только наружные электроны участвуют
119
в образовании химической связи. Ковалентный, как
и электровалентный, союз устойчив, если сумма
внешних электронов (своих и чужих) составляет ок-
тет. Вот почему углерод четырехвалентен: его верхней
орбите до полного комплекта не хватает ровно четы-
рех электронов. Их можно позаимствовать у водоро-
да. Или углерода. Четыре валентных штриха, разбе-
гающихся от каждой вершины в бензольном шести-
угольнике, — это и есть четыре дублета, дающих
вкупе необходимый октет.
Так физика ответила на самый глубокий вопрос,
который перед ней когда-либо ставила химия. И тем
не менее число и мера не торопились проникать
в мир невидимых архитектур. Первая же попытка
рассчитать молекулярную систему с ковалентной
связью потерпела фиаско. А ведь речь шла о простей-
шей системе — молекуле водорода!
Представьте себе обыкновенный глобус. На по-
люсах размещены водородные ядра. На экваторе —
пара электронов-антиподов, которые догоняют друг
друга в бесконечном круговороте. Эта модель, по-
строенная Бором, учитывала новейшие для того вре-
мени представления об атоме. Но ее количественный
расчет не совпадал с опытными данными. Модель
оказалась неверной.
Какой конфуз! Неужто льюисовская теория невер-
на? Неужто подвели новые, с иголочки, идеи, взятые
напрокат у физики? Лишь значительно позже выяс-
нилось, почему электроны упрямо саботировали зако-
ны ньютоновской механики.
Они просто не хотели быть примитивными упруги-
ми шариками, какими их воображал себе конструктор
планетарной модели атома Резерфорд. Но тогда ка-
140
ковы же они в действительности, эти мельчайшие aw-
мы электричества, изображавшиеся обыкновенными
точками в льюисовских дублетах и октетах?
Ответ пришел из парижской лаборатории на ули-
це Байрона, где работал Луи де Бройль. Откровение
ученого оказалось ошеломляющим. Частица-волна!
Математическое выражение этого беспрецедентного
в истории науки двуличия выглядело довольно не-
А
притязательно: х==(«ламбда» равна «аш», делен-
ному на «эм» «вэ»). Но какую бурю оно вызвало
в среде ученых!
Движению любого тела, обладающего массой и ско-
ростью, де Бройль приписывал волновой характер.
Например, теннисный мяч, отброшенный ракеткой со
скоростью 25 метров в секунду, — тоже волны. Мож-
но даже подсчитать их длину (А); она составит
10—32 сантиметра. Это в миллиарды миллиардов раз
141
меньше размеров атомного ядра. Понятно, почему
в макромире, в царстве массивных тел, двойствен-
ность «волны-частицы» совершенно незаметна и не
играет практически никакой роли. Зато в микромире...
Для электрона, вращающегося по околоядерпой
орбите со скоростью тысяча километров в секунду,
подсчет дает длину волны, равную одной стомиллион-
ной доле сантиметра. Это означает, что пучок элек-
тронов, несущихся с такой скоростью, должен вести
себя подобно рентгеновым лучам. И действительно,
эксперименты подтвердили двуличие электрона.
С одной стороны, у него давно уже были вскрыты
все признаки крохотной крупицы материи. Скажем,
вполне определенный вес. С другой — обнаружилось
такое поведение при прохождении электронного пучка
через кристалл, которое свойственно невесомому элек-
тромагнитному излучению!
Традиционные мерки, оказавшиеся не впору стран-
ному кусочку вещества-излучения, отбросила кванто-
вая механика.
Весной 1926 года в Париж на имя де Бройля при-
шел пакет из Цюриха. В нем содержалось изложение
волновой механики Эрвина Шредингера.
I В этом пакете было будущее химии.
А незадолго до этого молодой геттингенский уче-
ный Вернер Гейзенберг разработал свою матричную
механику. Глубокое раздумье над дуализмом волны-
частицы привело ученых к созданию особого матема-
тического аппарата для описания микрособытий, к ко-
торым неприложимы формулы ньютоновской физики.
142
Авторы в своих построениях опирались па разные,
если не сказать несовместимые, посылки. Один хотел
утвердить в физике волны и непрерывность, другой—
частицы и прерывность. Оба оперировали несхожими
математическими средствами. Но противоположные по
духу и по методам волновое уравнение Шредингера
и матричное исчисление Гейзенберга давали одинако-
вое приближение к реальности. Трудно было отдать
предпочтение какой-нибудь из идей, хотя каждый ав-
тор отстаивал правомерность лишь своей механики.
Но очень скоро новые эксперименты, подтвердившие
волнообразность электронов, доказали безуспешность
одностороннего подхода к одной из самых удивитель-
ных загадок микромира — дуализму (двойственности)
корпускул-волн. Так две механики слились в одну,
которую позже стали именовать просто квантовой.
Уже нельзя было мыслить себе электрон, как кро-
шечную Луну вполне определенных размеров и фор-
мы, обращающуюся по геометрически четкой трассе
вокруг маленькой Земли — атомного ядра. Орбита
стала напоминать расплывчатое шаровидное облако,
по которому «размазан» электрон-волна.
143
В 1927 году немецкие физики Вальтер Гейтлер и
Фриц Лондон, исходя из новых представлений, оцепи-
ли энергию связи и межъядерное расстояние для мо-
лекулы водорода. Теоретический расчет полностью
совпал с экспериментальными данными!
Это означало больше, чем триумф квантовой меха-
ники. Это было рождение квантовой химии. Ведь мо-
лекула водорода — простейшее химическое соедине-
ние. Не просто сумма двух атомов, а сложная систе-
ма, где ядра и электроны спаяны валентной связью
в целостный коллектив со всеми присущими ему осо-
бенностями.
Древнее пробирное искусство получило невидан-
ный доселе инструмент для исследования тончайших
механизмов межатомного взаимодействия. Валентный
штрих заговорил языком математики, волнуя химиков
неожиданными откровениями, а подчас и сюрпризами.
Квантово-механический расчет вскрыл важный
признак ковалентной связи — антипараллельность
электронных спинов.
«Спин» в переводе с английского означает «круче-
ние». Речь идет о вращении, но уже не вокруг ядра,
а вокруг собственной оси при движении по орбите.
Спин придает электрону свойства крошечного магни-
тика. Именно это обстоятельство не было известно
Шредингеру, когда он рассчитывал атом водорода.
Потому-то и появилось расхождение между расчетны-
ми данными и результатами опытов. Так математика
привела к открытию в физике — подобно тому как
в свое время Леверье, исходя из чисто математичес-
ких расчетов, предсказал существование планеты
Нептун.
Если спины параллельны, электроны «отпихивают-
144
ся» друг от друга. Оказалось, что внутри дублета оба
«веретена» направлены в противоположные стороны.
Стало быть, электроны-магниты притягиваю гея. Та*
кую пару электронов, у которых магнитные силы вза-
имно скомпенсированы, обычно изображают в вике,
двух параллельных стрелок с остриями, направленны-
ми в противоположные стороны.
Правда, электроны могут группироваться попарно
и не вступая в химическую связь. Конечно, электрону,
который сиротливо витает вокруг водородного ядра,
можно объединиться лишь с электроном другого
атома. Зато у следующего по порядку члена менде-
леевского семейства электронов ровно два. Они спа-
рены. Их спины антипараллельны. Этим и объясняет-
ся химическая «леность» солнечного элемента, ибо
атом способен образовать ровно столько валентных
связей, сколько у него неспаренных электронов. У ли-
Ю Л. Бобров
145
тия, прописанного в клетке № 3, на один электрон
больше. Два спарены, третий лишний. И он «ходит
бобылем». Потому-то литий и одновалентен. А вот
у бериллия (№ 4) уже две электронные пары. У бо-
ра— две пары плюс один холостяк. У углерода?
3 пары? Нет, тоже две! И два «бобыля». Выходит,
углерод двухвалентен? Но разве еще со времен Бут-
лерова и Кекуле не установлено твердо, что валент-
ность углерода равна четырем?
Установлено. И она именно такова. Весь фокус
в том, что атом может переходить из основного, пас-
сивного состояния в возбужденное, активное. Актива-
ция атома бесцеремонно разделяет пары. Спины быв-
ших напарников становятся параллельными. Разлу-
ченным электронам ничего не остается делать, как
искать себе партнеров в другом атоме.
Однако если все напарники расстанутся, то угле-
род должен быть шестивалентным! Ведь у него шесть
электронов. Почему же он присоединяет лишь четыре
атома водорода? Почему в природе нет соединения
СН6?
Дело тут вот в чем. Непосредственное участие
в образовании химических связей принимают не все,
а лишь наружные электроны. А на внешней электрон-
ной оболочке у углерода именно четыре электрона,
у бора три, у бериллия два. Запрятанная внутри пара
остается безучастной. Вот почему углерод четырехва-
лентен.
Но даже в окиси углерода валентность не равна
двум, как это принято считать! Однако об этом
позднее.
146
Когда разговор шел о наружных п внутренних
электронах, имелись в виду различные оболочки ато-
ма. Эти электронные «одежки» чем-то напоминают де-
ревянных матрешек, вставленных одна в другую.
У углерода и прочих элементов второго периода мен-
делеевской таблицы их две. В центре самой малень-
кой — ядро. Номер «матрешки» — считая от малень-
кой к самой большой — это главное квантовое число.
Удвоенный квадрат его 2п2 определяет максимальное
количество электронов, которым дозволено размес-
титься на одной оболочке. Fla первой у всех без иск-
лючения атомов не может находиться больше двух
электронов (2-12). На второй — не больше восьми
(2«22), На третьей — восемнадцати (2*32). И так
далее. А между «матрешками» — запретная зона.
Там вообще не место электронам. Так распорядилась
природа. Так записано и в кодексе квантовой меха-
ники.
Зато каждая оболочка многослойна. Электронам
дано право выбрать себе местопребывание на любом
из слоев. Но при определенном условии (его называ-
ют принципом Паули): они должны различаться хо-
тя бы одним квантовым числом. А таких чисел четы-
ре. Первое — наше п. Одинаковое для всех слоев обо-
лочки. Оно характеризует удаленность электрона от
ядра, а стало быть, и его энергию. Второе, не менее
важное, — направленность спина. Два остальных не
так существенны в нашем рассказе. Однако и они
играют свою роль в распределении электронов по сло-
ям. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что
один слой не способен вместить больше двух элек-
тронов. Причем их спины должны быть обязательно
антипараллельными. Именно так возникают электрон-
10*
147
ные «парочки» у атомов. И зачастую остаются нераз-
лучными. Даже в тех случаях, когда атом готовится
вступить в химическую связь. Даже несмотря на то,
что для любого из напарников сыскался бы уголок
в одном из слоев. И нередко случается так: у одного
атома в запасе вакантное место в одном из слоев,
у другого — неподеленная пара электронов.
Обычно при образовании ковалентного союза оба
атома выставляют по электрону. Однако допустйм и
такой вариант: первый атом размещает свою неподе-
ленную пару на чужой «жилплощади» — в свободном
слое второго. Примером служит ион аммония NH4+,
с которым имел дело каждый, кому доводилось ню-
хать нашатырный спирт NH4OH. Здесь атом азота —
донор (по-латыни «дарящий»). Он поставляет гото-
вый дублет водородному ядру (протону). А тот спо-
койно забирает, оправдывая название «акцептора»
(«берущий»):
и н
НН — 3H = H.N:H+
• ♦ • •
н н
Голубоватые язычки пламени в преждевременно
закрытой топке над раскаленными угольями — кто их
не видел? Так при недостатке кислорода образуется
угарный газ. У атома С в невозбужденном состоянии
два неспаренных электрона и один незанятый слой.
148
Атом О не располагает свободными помещениями.
Зато, помимо двух электронов-«холостяков», у него
готовая электронная пара, которую он может пере-
дать «соседу в чуждые пределы».
Электронный дублет кислорода становится «слугой
двух господ».
Вот почему в молекуле СО скорее тройная связь,
нежели двойная:
cW
(знаки «плюс» и «минус» отмечают некоторое нерав-
ноправие в распределении зарядов между атомами;
по-видимому, электроны предпочитают находиться по-
ближе к углероду).
А молекула кислорода? Структурная формула опи-
сывает ее так, словно она содержит двойную связь:
0 = 0. Будь это действительно так, в ней все электроны
должны быть соединены попарно. Если же спины
внутри каждой пары взаимно уравновешены, вещест-
во диамагнитно.
А вот молекулы кислорода отзываются на магнит-
ное поле иначе, чем диамагнетики. Выходит, не все
магнитные силы в них скомпенсированы? Да, молеку-
лы О2 явно парамагнитны. И неспроста: в молекуле
кислорода два электрона не спарены. Так что форму-
ла 0 = 0 тоже неверна! И атомы кислорода соедине-
ны тройной связью: 0=0. Три штриха — это три дуб-
лета: один образован электронами разных атомов О,
два остальных предоставлены атомами друг другу
в готовом виде.
149
I Мораль: не всегда школьные учебники говорят,
всю правду.
Сказанное лишний раз иллюстрирует простую
мысль: негоже химику игнорировать квантово-механи-
ческие представления. Иначе он намеренно обрекает
себя на слепоту. Ибо значок «буква—штрих—буква»,
несмотря на удобство в применении, остается всего
лишь символом. И зачастую даже неточным.
Здесь говорилось главным образом об электрон-
ном спине. Казалось бы, пустяк — вращение крохот-
ного сгусточка материи, даром что штопорообразное.
Ан нет, именно эта характеристика электрона лежит
в основе многих замечательных химических и физи-
ческих явлений. А ведь все началось с математической
ошибки, если, конечно, можно так назвать первую не-
удачу Шредингера точно описать атом водорода
с помощью его волнового уравнения — знаменитой
пси-функции.
Итак, квантовая механика вручила химии незатей-
ливый, но полный глубокого смысла символ — две
параллельные стрелки. Если острия направлены в од-
ну сторону, электроны отталкиваются, в разные —
притягиваются. Так вот оно что: наконец-то выясни-
лась причина межатомного взаимодействия!
Ничуть не бывало. Математический расчет пока-
зал, что для прочного межатомного союза требуется
в миллионы раз большая энергия, чем та, которую
может обеспечить взаимное влечение пары электро-
нов-магнитиков.
В миллионы раз! Откуда берется она, эта чудовищ-
ная энергия? Как ее измерить? И какую роль тогда
играет спин?
150
Целый фейерверк вопросов! А все они сводятся
к одному: какова же, собственно, природа химической
связи? В чем ее «особинка»?
Немало сил действует в мире атомов и молекул.
Внутриядерные. Внутриатомные. Межатомные. Вну-
тримолекулярные. Межмолекулярные. Четкая града-
ция, не так ли? Увы, на деле все оказывается куда
сложнее.
Начнем с классического примера межмолекуляр-
ного взаимодействия.
Почему так дребезжит крышка на чайнике с кипя-
щей водой? Ясное дело: ее подбрасывают кверху пары
воды. Тот же пар толкает поршень паровоза или ло-
пасти турбин. Огромна механическая энергия, кото-
рую мы высвобождаем нагреванием! Очевидно, эти
силы равны, хотя и противоположны по знаку, силам,
соединяющим молекулы воды в жидкость.
Если при конденсации пара выделяется 0,539 ки-
локалории на грамм, то столько же нужно затратить
на испарение грамма воды. Ни больше, ни меньше.
Так в единицах энергии оценивают силы межмолеку-
лярного сцепления. И химическая связь тоже харак-
теризуется определенной энергией. Ее тоже можно
измерять в килокалориях на грамм или грамм-молеку-
лу вещества. И тоже можно разрушить нагреванием.
Чем же тогда отличаются межмолекулярные силы от
внутримолекулярных?
На первый взгляд кажется, будто ответить на этот
вопрос не составляет труда. Дескать, молекула в це-
лом нейтральна. Валентные силы в ней насыщены.
А раз так, то со своими соседями она будет взаимо-
действовать без образования химической связи. Но это
только на первый взгляд. Многие электрически ней-
151
тральные вещества способны присоединять воду, ам-
миак, окись углерода и даже... самих себя!
Оказывается, и молекулы могут срастаться
наподобие сиамских близнецов.
Если подвергнуть давлению двуокись азота, прои-
зойдет коллективизация. Газ NO2 превратится в жид-
кость N2O4, или (NO2)2. Это широко известный пример
димеризации. А знаком ли вам такой димер: (А1С13)2?
Своим рождением он обязан донорно-акцепторной
связи, которая перебрасывает валентный мостик ме-
жду двумя нейтральными молекулами. Со стороны
атома хлора в построении мостика участвует неподе-
ленная электронная пара. Со стороны алюминия —
свободное место в одном из слоев оболочки:
Образование мостиковых соединений не всегда огра-
ничивается стадией димера. Возможны тримеры, ска-
жем (ВеС12)э. И даже длинные цепочки неорганиче-
ских полимеров (ВеС1г)п, (PdCl2)n.
Приведенные примеры свидетельствуют о том, что
обычные брутто-формулы, которыми химики пользу-
ются со времен Берцелиуса, зачастую не отражают
152
истинного положения вещей. И то, что ускользало ич
внимания химии «лукренианской», квантовая химия
вывела на чистую воду. В том числе и хитрости самой
воды. Той самой, с которой мы начали разбор «дела
о правомочиях связей» — межмолекулярной и внутри-
молекулярной.
В свое время плачевная судьба трансатлантиче-
ского лайнера «Титаник» потрясла людское воображе-
ние. Действительно, катастрофа могла миновать бес-
печный корабль, не будь этого проклятого тумана и
прятавшегося за ним айсберга. Но в том-то и дело,
что поносить туман и айсберг здесь не за что! Они
возникли без всякого злого умысла. Наоборот, они
педантично исполняли законы, предписанные при-
родой.
И туман и айсберг — вода. Молекулы воды объе-
диняются в капельки благодаря силам межмолекуляр-
ного сцепления. И лед плавает поверх воды неспро-
ста — здесь тоже действуют непреложные физические
законы. Какие же?
Опять-таки межмолекулярное взаимодействие!
Плотность у воды выше, чем у льда. Это долго
оставалось загадкой. И лишь представления кванто-
вой физики рассеяли сомнение ученых.
Между молекулами воды возникают водородные
связи-мостики. Каждый атом водорода, входящий
в состав Н2О, — «слуга двух господ». Он связан не
только с атомом кислорода своей собственной моле-
кулы (внутримолекулярное взаимодействие). Его
властно притягивает и «чужой» кислородный атом —
тот, что в соседней молекуле (межмолекулярное взаи-
модействие). Так возникает сетчатая пространствен-
ная структура.
153
Замерзание воды — это изменение ажурной сетки
из водородных мостиков. Рыхлая структура становит-
ся механически более прочной. Но молекулы в ней
упакованы менее плотно. Потому-то айсберги и плава-
ют по морям. Нагревание «встряхивает» жесткую
структуру льда. В пустоты между узлами кристалли-
ческой решетки льда попадает все больше молекул
воды. «Кружево» становится мягче, зато плотнее,
а «дырки» в нем — меньше. Когда же вода испаряет-
ся, «кружево» расползается.
Образованию водородного мостика способствует
опять-таки донорно-акцепторное взаимодействие.
Обычно атом водорода предоставляет электронам вто-
рого «хозяина» свою свободную «жилплощадь».
Благодаря водородной связи многие молекулы
соединяются в димеры и полимеры. Газообразный
фтористый водород образует кольца, отдаленно напо-
минающие бензол (НбРб). Поперечные мостики между
нейтральными молекулами могут появиться и в спир-
тах, и в органических кислотах, и в белках, жирах,
углеводах. Стоит ли продолжать? И без того ясно:
взаимоотношения между нейтральными молекулами
зачастую сопряжены с чисто химическими связями.
1Где-то тут, наверное, пройдет и тот заветный
Рубикон, который отделяет живое от неживого.
Межмолекулярные взаимоотношения... Не здесь
ли надо искать ключ к знаменитой загадке неаддитив-
ности: почему свойства клетки — не просто сумма
свойств составляющих ее молекул? Ведь клеточные
154
структуры существуют не сами по себе. Их окружает
водная среда. Они общаются и друг с другом.
Вы никогда не задумывались над вопросом: поче-
му склеивание, паяние или сварка способны скрепить
самые несхожие материалы? Почему капля, прежде
чем сорваться с зонтика, некоторое время висит на
краю вашей матерчатой крыши, а с перьев водопла-
вающей птицы стекает, как с гуся вода? Почему мас-
ляные краски не отваливаются от холста?
И здесь не обошлось без вмешательства межмо-
лекулярных сил!
Прочность материалов обусловлена также сцепле-
нием молекул. Треснула ли бетонная стена, разорвал-
ся ли капроновый чулок, лопнул ли мыльный пу-
зырь — значит, не выдюжили силы межмолекулярно-
го взаимодействия. Они огромны, эти силы. Нить из
лавсана сечением в один квадратный миллиметр вы-
держивает человека. А стеклянное волокно позволяет
доводить нагрузку до 300 килограммов на каждый
квадратный миллиметр!
А внутримолекулярное взаимодействие? Сильнее
оно или слабее? Ну, разумеется, сильнее: иначе мир
был бы ввергнут в пучину хаоса. Представляете, что
бы получилось, если бы мы поставили чайник па
огонь, а у нас вместо струйки пара повалил кислород
и водород? Отрывающиеся от поверхности молекулы
воды раздирали бы на части друг друга, рвались бы
химические связи. Нельзя было бы ни купаться, ни
просто умываться без опасения, что вместе с капель-
ками, приставшими к коже, мы стряхнем осколки ор-
ганических молекул, из которых состоит наше тело.
Да, внутримолекулярные силы в десятки раз пре-
вышают межмолекулярные. Теплота, которая требуст-
155
ся для разделения всех молекул в наперстке воды, со-
ставляет около одной килокалории. А для разделения
того .же количества Н2О на атомы О и Н надо не
менее семи. Причем здесь не учтены тепловые затра-
ты на нагревание до температуры разложения!
Каким же образом тепло разрушает валентные
связи? И тепло ли?
Во время Международного геофизического года
у нас вышел в свет сборник переводов «Планета Зем-
ля». Один из авторов — американский геофизик
Дж. П. Койпер строил в своей статье догадки: что-то
будет с нашей планетой через миллиарды лет?
Сейчас три четверти земной поверхности покрыты
водой. Для космического наблюдателя то, что мы на-
зываем «планетой Земля», выглядит скорее как «пла-
нета Вода». Но у «планеты Вода» есть реальные
шансы превратиться в настоящую, без всяких огово-
рок, «планету Земля»!
Представьте себе гигантские океанические бассей-
ны, утратившие миллиарды тони воды; небо без еди-
ного облачка над бесплодными континентами; иссяк-
шие родники и высохшие русла рек, словно шрамы,
пересекающие скорбный лик Земли; огромные облака
всепроникающей пыли, окутывающей планету удуш-
ливым покрывалом; наконец, знойное днем и леденя-
щее ночью дыхание ветра. Печальная обитель смерти
и опустошения, мало похожая на нашу зеленую и на-
рядную планету...
Может ли так быть на самом деле? Судите
сами.
Оказывается, причиной катастрофы может стать
расщепление молекул воды. Да, именно такой процесс
протекает в верхних слоях земной атмосферы.
156
Ультрафиолетовые лучи Солнца. Невесомые, не-
зримые, электромагнитные волны! Л действуют па мо-
лекулы, как удар молотка. И, словно искры от удара,
по сторонам сыплются осколки. Идет фотолиз воды:
Н2О = Н + ОН. Более тяжелый гидроксил остается
в атмосфере. А водород ускользает в космос. Так пе-
чально кончают свое существование водяные пары,
поднявшиеся в заоблачные выси из рек и морей. Зем-
ной океан мелеет.
(Успокоим впечатлительного читателя: «усушка»
планеты за всю ее геологическую историю была
настолько мизерна в глобальных масштабах, что
ее не стоит опасаться многие миллиарды лет.
Это рассказано вовсе не для того, чтобы лишний
раз напомнить: вот-де как важно изучать химическую
связь методами квантовой механики! Мол, пустячная
с виду реакция — расщепление воды, — а имеет гран-
диозное, так сказать космическое, значение!
Нет, нас сейчас интересует другое. Каким образом
световые лучи разрывают валентную связь?
Молекула водорода напоминает гаительку. Атомы-
шары скреплены упругой «пружиной» — валентной
связью. Шары то растягивают, то сжимают пружину.
С повышением температуры амплитуда колебаний
растет. В какой-то момент пружина лопается. Проис-
ходит диссоциация. Но почему все-таки лопается? Что
ее понуждает к этому?
Кванты лучистой энергии. К ним особенно чувст-
вительны электроны. Еще бы: ведь электрон — тоже
157
волна! Атомные ядра весьма восприимчивы к бомбар-
дировке квантами. Да и сама молекула в целом.
Поглощенная веществом энергия солнечных лучен
распределяется далеко не поровну. На вращение мо-
лекулы расходуется немного. Не более одной килока-
лории на каждую грамм-молекулу вещества. На уси-
ление колебательного движения атомов идет несколь-
ко больше — от 1,5 до 6 килокалорий. Но все это вме-
сте взятое в десятки раз меньше энергии, поглощае-
мой электронами! *
Конечно, разным электронам требуется и разная
энергия. Если они движутся во внутренних частях
атома, для их возбуждения нужны тысячи и даже
миллионы килокалорий. Такой энергией обладают
рентгеновы лучи.
А их почти нет в составе солнечного спектра. Ме-
нее мощны фотоны ультрафиолетовой радиации. Они
могут дать сотню-другую килокалорий на грамм-мо-
лекулу вещества. Конечно, этого недостаточно, чтобы
расшатать устойчивую электронную конфигурацию
внутренних оболочек молекулы. Зато наружные элек-
троны весьма чувствительны к облучению ультра-
фиолетом.
Ощутив толчок, электрон возбуждается и перепры-
гивает на более высокую оболочку-орбиту. Он может
через некоторое время возвратиться, высветив то же
количество энергии, которое получил. Такие прыжки
туда и обратно происходят все время, пока мы осве-
щаем какое-нибудь вещество. Именно поглощение
света является причиной окраски химического соеди-
нения. Если вещество бесцветно, значит оно испускает
не воспринимаемый глазом ультрафиолетовый или ин-
фракрасный свет.
158
Каждый электрон способен поглощать и испускать
энергию лишь строго отмеренными дозами — кванта-
ми. Чем ближе к этому определенному значению энер-
гия фотонов, тем сильнее возбуждается электрон. Ес-
ли энергия фотона меньше, чем нужно для возбужде-
ния электрона, активации не произойдет. Если же фо-
тоны слишком энергичны, они тоже действуют слабо.
Фотон не может расходоваться по частям. Это же
квант—неделимая порция энергии! А электрон не спо-
собен принять больше энергии, чем требуется для ак-
тивации. Ведь ему отведены вполне определенные
уровни-слои в электронных оболочках. Значит, паль-
ба из пушек по воробьям в микромире столь же не-
эффективна, как из рогатки по слонам. Наи-
большее действие оказывают лишь те фотоны, калибр
которых в точности соответствует масштабам мишени.
159
Другое сравнение, если угодно: электрон заря-
жается, как пистолет, И подходят для этой цели
пули только одного калибра.
Электрон начинает колебаться, перескакивая вверх
и вниз с орбиты на орбиту, в такт с ударами фотонов.
В беспокойной обстановке такого «артобстрела» спа-
ренным электронам трудно удержаться вместе, сохра-
нив антипараллельность спинов. Но как только спины
окажутся одинаковыми, электроны-магнитики тут же
начнут отталкиваться друг от друга. И хотя энергия
самого отталкивания не так уж велика, в электрон-
ном облаке, окружающем атомные ядра в молекуле,
происходят глубокие изменения. Молекула развали-
вается на куски.
Этому помогают и колебания атомных ядер. Они
то сжимают, то растягивают пружину химической
связи. И тем сильнее, чем интенсивней инфракрасное
излучение, чем выше температура. Электронное обла-
ко молекулы пульсирует в такт с колебаниями ядер.
Наконец в многоатомной молекуле взаимодействуют
между собой и «пружины» соседних валентных свя-
зей.
Ультрафиолетовое излучение Солнца наиболее
опасно для связей О—Н в молекуле Н2О. До поверх-
ности Земли оно почти не доходит, поглощаясь атмос-
ферой. Здесь вода чувствует себя спокойно (если,
конечно, ее молекулы не подвергаются сильному на-
греванию). Зато на больших высотах она не выносит
обстрела и разрушается.
Итак, началом конца валентной связи оказывает-
ся расторжение союза между двумя электронами-
160
магнитиками. Обретая параллельные спины, электро-
ны отчуждаются. Но за этой враждой стоят куда бо-
лее могущественные силы. Прежде всего — электро-
статическое отталкивание ядер. И самих электронов
(ведь они тоже одноименные заряды!). Наконец, уве-
личение кинетической энергии электронов при пере-
скоке на более высокую орбиту. Когда все это вместе
взятое превысит силы внутримолекулярного сцепле-
ния, разрыв валентной связи неминуем.
Что же противостоит в молекуле силам, подры-
вающим ее изнутри?
Не притяжение электронов-магнитиков — мы это
давно уже установили. Быть может, кулоновское вза-
имодействие между электронами и ядрами разных
атомов? Но почему тогда так необходима антипарал-
лельность электронных спинов, чтобы связать атомы
валентными узами? Ведь тяготение электронов-магни-
тиков прямо-таки мизерно! Во всяком случае, ни в ка-
кое сравнение не идет с их электростатическим оттал-
киванием.
Атом — равновесная система. Молекула тоже. Мы
выяснили, что разрушение внутримолекулярной свя-
зи требует затраты энергии. Стало быть, ее образова-
ние должно сопровождаться высвобождением того же
количества энергии. И действительно: энергетическое
состояние молекулы выгоднее, чем у двух разрознен-
ных атомов. Но чтобы сблизившиеся атомы могли
прореагировать, перейти из одного равновесного сос-
тояния в другое, их надо слегка подтолкнуть.
Эту миссию и выполняют антипараллельные
спины.
Можно ли щелчком проделать дырку в заборе?
Разумеется, нет; это хорошо знали наши пращуры, ко-
Л. Бобров
161
гда долбили стены осажденной крепости массивным
тараном. Но если нажать на курок пистолета, легко
прострелить не только доски, а и стальную броню.
Еще пример. Можете ли вы, слегка подтолкнув
своего товарища, заставить его прыгнуть на добрых
три десятка метров? Разумеется, да, если он наде-
нет лыжи и взберется на трамплин. Слабенькое уси-
лие — а какой эффект!
Энергия спинового взаимодействия тоже мала. Она
не способна скрепить межатомный союз печатью не-
расторжимости. Антипараллельные «веретенца» —
слишком слабые крючочки, чтобы удерживать атомы
в молекуле. Однако сыграть роль спускового крючка
они в состоянии.
К сожалению, это очень грубая аналогия, хотя
и наглядная.
Капелькам ртути достаточно соприкоснуться, что-
бы они слились. Вот именно: соприкоснуться. Пока их
разделяет прослойка воздуха, пусть даже наитончай-
шая> они существуют сами по себе. Подтолкнуть их
друг к другу ничего не стоит. Во всяком случае, для
этого, когда они рядом, требуется гораздо меньше
усилий, чем разделить их и раздвинуть на ту же ди-
станцию, когда они уже слились. Но как бы мизерна
ни была энергия толчка в сравнении с энергией слия-
ния, без нее не обойтись.
Нечто подобное, по-видимому, происходит и когда
сближаются два атома. Именно взаимное влечение
магнитиков-спинов высвобождает, словно джинна из
162
бутылки, огромную энергию химической связи, Вза-
имное же отталкивание, наоборот, еще туже завинчи-
вает пробку на «бутылке с джинном».
Когда сближаются два водородных атома, начи-
нается схватка противоборствующих сил. Аитппарал-
лельность спинов примагничивает электроны обоих
атомов. Но ведь электроны — не что иное, как одно-
именные электрические заряды! Естественно, между
ними возникают силы кулоновского отталкивания.
И не только между ними. Ядра обоих атомов (про-
тоны) тоже заряжены одноименно. А раз так, то и они
к сближению. Однако у них
заряд со знаком «плюс». Ста-
ло быть, протон первого ато-
ма будет притягивать элект-
рон второго. И наоборот.
Чем-то закончится эта дра-
матическая сцена?
отнюдь не настроены
I
Мирным финалом. Как бы ни бушевали страсти
в борьбе микротитанов, чья-то неодолимая сила вле-
чет навстречу друг другу ядра, которые упираются,
словно поссорившиеся Иван Иванович и Иван Ники-
форович. Влечет до тех пор, пока ее не погасит вза-
имное отталкивание протонов. Достигнув этой дистаи-
11*
163
ции, ядра больше не сближаются. Но и не удаляются
одно от другого. Атомы обмениваются электронами.
Наступает равновесие сил. Так возникает молекула.
А энергия связи? Что ее порождает?
Взаимодействие электронов сопровождается так
называемым расщеплением уровней энергии, У неза-
висимых атомов было по одному самому низкому
уровню. Но как только электроны вступили во взаи-
модействие, у сблизившихся атомов в соответствии
с законами квантовой механики образуется по два
энергетических уровня. Один лежит выше, другой ни-
же прежнего уровня свободного атома. Первый отве-
ден электронам с параллельными спинами, второй
с антипараллельными. На повышенном уровне энер-
гия системы больше, чем у свободных атомов. Соеди-
нение в молекулу энергетически невыгодно. Потому
оно и не происходит. Если же электроны очутятся на
более низком уровне, система получит энергетический
выигрыш, станет более устойчивой. Но в том-то и де-
ло, что опуститься туда дано лишь электронам с ан-
типараллельными спинами!
Так благодаря антипараллельности спинов высво-
бождается энергия химической связи. Она равна раз-
ности двух энергий, одна из которых соответствует
уровню свободного атома, другая — уровню моле-
кулы.
Математический расчет свидетельствует, что вклад
кулоновского тяготения в энергию связи довольно
скромен: что-то около десятой доли. Что же придает
силы воображаемому «джинну» химической связи,
который столь властно утихомирил разбушевавшиеся
стихии микромира?
Обменное взаимодействие электронов.
164
Запомните этот термин. Потом мм с ним встре-
тимся. когда пойдет речь о лечении психических
расстройств с помощью интегралов.
Эпитет «воображаемый» применительно к сказоч-
ному джинну вполне уместен. Облик порой доброго,
порой злого, но всегда могучего «духа» не раз вста-
вал перед нами со страниц восточных сказок. К со-
жалению, обменное взаимодействие, скрывающееся за
этой метафорой, вообразить значительно труднее,
И постигнуть секрет его могущества невозможно, не
разобравшись в квантово-механических премудростях
того, как движутся электроны вокруг ядер в молекуле
водорода.
Соединяясь в молекулу, атомы водорода обмени-
ваются электронами. Конечно, это не совсем точно:
электроны не марки и не мнения, чтобы можно было
ими обменяться. Но от термина «обменное взаимодей-
ствие» нам не уйти, вот почему приходится предосте-
регать от житейского его толкования. Тем более что
волновой характер движения делает электроны нераз-
личимыми. Перемешавшиеся электронные облачка
образуют нечто вроде целостной «волны», стягиваю-
щей соседние ядра в единую молекулу. Такое облако-
волна хоть и расплывчато, однако все же и не бесфор-
менно.
Обрисовать его контуры помогли опять же
квантово-химические вычисления. Обнаружилось, что
оно отдаленно напоминает скорлупу арахиса, узника-
ми которой взамен двух орешков мы представляем
себе атомные ядра.
Употреблять словосочетание «электронное облако»
165
без оговорок рискованно, хотя оно прочно укорени-
лось в научном «жаргоне». Термин стал общеупотре-
бительным только из-за краткости. В действительно-
сти же приходится иметь дело с облаком вероятности.
Столь же эфемерным, столь же призрачным, как и
размытый полупрозрачный диск включенного венти-
лятора. Или мелькающих спиц велосипедного колеса.
Присмотритесь к такому «облаку». Вы заметите
участки большей и меньшей «плотности», «сгущения»
и «разрежения». Между тем если стрелять в такой
диск из пистолета, то часть пуль наверняка проскочит
беспрепятственно. Угодить в спицу или лопасть не
просто: все будет зависеть от слепого случая. Конеч-
но, там, где облако гуще (оттого, что лопасти шире,
а спицы соседствуют друг с другом), вероятность по-
разить цель выше. Но все равно вероятность остается
вероятностью: то ли попадешь, то ли нет.
Нечто подобное встречается и в микромире. Чем
темнее участок размытого электронного облака, изо-
браженного художником на странице 172, тем боль-
ше тут плотность вероятности. Тем скорее мы обнару-
жим здесь разыскиваемый электрон. Что же касается
самой плотности вероятности, то она вовсе не плод во-
ображения художника. Ее точно вычисляют с по-
мощью шредингеровской пси-функции.
1Так квантовая механика похоронила шарик. От
него остался лишь призрак.
Квантовая механика нарисовала электронные об-
лака самых причудливых, самых фантастических
форм, какие только могли пригрезиться художнику,
нет, вернее, скульптору, ибо эти облака трехмерны,
объемны. Правда, электронный ореол вокруг молеку-
лы водорода имеет довольно простые .очертания —
он чем-то напоминает размытый «арахисовый орех»,
по крайней мере в области наибольшего сгущения. Но
если у обычного ореха мы без труда можем обозна-
чить границу, отделяющую скорлупу от окружающего
воздуха, то «размывам» электронного облака такая
геометрическая четкость отнюдь несвойственна.
Всмотритесь в рисунок «арахисового ореха». Вы
заметите, что в зоне между ядрами краска положена
гуще. Квантово-механический расчет обнаружил, что
здесь электронная плотность повышена. Возможность
такого сгущения появляется сразу, как только ней-
тральные атомы водорода подходят друг к другу до-
статочно близко. Это'и есть главный итог обменного
взаимодействия. Концентрируясь в межъядерном про-
167
странсгве, электронное облако как бы гасит силы вза-
имного отталкивания между протонами, заставляя яд-
ра сближаться до тех пор, пока не наступит равнове-
сие сил. Зато, если электронные спины сблизившихся
атомов параллельны, плотность облака между ядра-
ми понижена, а посередине и вовсе равна нулю. В этом
случае кулоновское отталкивание ядер преобладает
над силами обменного взаимодействия и электроста-
тического притяжения. Химическая связь образовать-
ся не может.
Итак, антипараллельность спинов, как говорили
древние римляне, — «кондицио сине ква нон» (усло-
вие, без которого нет) ковалентной связи. Бутлеров-
ский валентный штрих — это и есть пара электронов
с противоположно ориентированными спинами. Спа-
ренные веретенца-магнитики безучастны к другим
электронам. Химик скажет: валентная связь насыще-
на. Именно из-за насыщаемости химических сил мо-
лекулы имеют вполне определенный состав: например,
Нг, но не Н3, Н4 или Нюо; NH3, но не NH5 или NH8.
Электронное облако, окутывающее молекулу водо-
рода, замечательно изумительной симметрией. Так
всегда получается, если внутри «арахисового ореха»
заключены одинаковые ядра: скажем, хлора в моле-
куле хлора Ch или брома в Вгг. Сливаясь в это
двуединое облако, электроны становятся неразличи-
мыми. Возможности встретить их в поле любого ядра
равновероятны. При таком валентном союзе, основан-
ном на паритетных началах, молекула неполярна —
у нее отсутствует дипольный момент. Иное дело, ког-
да атомы разные. К примеру, в молекуле хлористого
водорода HCL Здесь уже вероятность встретить свя-
зующие электроны в поле водородного ядра меньше,
168
чем в поле ядра атома О. Поэтому средняя электрон-
ная «плотность» поблизости от атома С1 выше. Обла-
ко, подобно флюсу, оттопыривается с одного бока.
И тут как тут объявляется постоянный дипольный мо-
мент.
Асимметрия электронного облака описывается
квантовой химией в терминах «эффективных зарядов».
Имеются в виду суммарные заряды атомов в молеку-
ле окрест их ядер.
Правда, если говорить строго, электронное обла-
ко — не политическая карта. Его невозможно четко
расчленить пограничными столбами. Тем не менее по-
нятие «эффективный заряд» зачастую удобно, хотя
и условно. По крайней мере сразу бросается в глаза
различие в полярности молекул. Нулевая полярность
свойственна только молекулам Н2, С12 и им подоб-
ным. У других она больше или меньше. Сравните,
к примеру, хлористый водород и поваренную соль:
Н+0’17 С1~0’17 и Na+°’8 Cl-0,8. Цифры наверху рядом
с символами элементов — доли единичного электрон-
ного заряда. Нетрудно увидеть, что у молекулы нашей
соли электронный «флюс» вздулся куда сильнее.
В подобных предельных случаях полярная связь на-
зывается ионной.
(Вывод: чисто ионной и чисто ковалентной связей
нет. Есть гибриды.
Да, именно ионной — той самой, которую интуи-
тивно предвосхитил еще Берцелиус. Той, для которой
Коссель создал свою модель, описанную несколькими
169
страницами раньше. Между ней и моделью Льюиса
лежала прямо-таки пропасть. А па квантово-механи-
ческую поверку выходит, что обе они ничуть не проти-
воречат друг другу! Перед нами просто два крайних
случая одного явления — электронного содружества
атомов. Такого содружества, где нет и в помине ша-
риков-электронов, перекочевавших целиком и пол-
ностью от одного атома к другому. Деление на «сво-
их» и «чужих» в соответствии с косселевской «бухгал-
терией» бессмысленно. Ибо атомные ядра даже при
ярко выраженной ионной связи объемлет единое и не-
делимое облако-волна.
Правда, полное разделение зарядов не исключено.
Оно происходит, если ионы очутятся в свободном сос-
тоянии, например в растворе. Вздумай, однако, катион
Na+1 и анион СН1 вступить в валентную связь, как
эффективные заряды из целой единицы тотчас станут
дробными: Na+°’3, Cl “°’8.Причина — волновые свой-
ства электрона. Сколь бы малой ни была вероятность
обнаружить электрон вблизи атома Na, она все же
отлична от нуля.
Еще большие возмущения электронных орбит ха-
рактерны для многозарядных ионов. Помните, как
строго было расписано местопребывание электронов
в косселевском «гроссбухе» для молекулы СаС1г? Увы,
на деле все обстоит гораздо сложнее. Са + 2 в ионной
молекуле обретается отнюдь не в виде «чистого»
двухзарядного катиона с электронной конфигурацией
инертного газа. Особенно, если его соседом по моле-
куле окажется тоже многозарядный анион, положим
О-2. Электронная архитектура молекулы СаО вы-
глядит вовсе не так, как рисовала ее бесхитростная
геометрия Косселя. И если вам попадутся формулы:
170
Ca+2S~2, CaПН Tl^C~\ (AH3).. (0-)a>(N*')2 (G-’)M
Bb® (F-l)a и тому подобные — знайте: перет вами
галерея призраков. Это наследники классических
электростатических представлений, окончательно ском-
лрометировавших себя в глазах ученых. Понятно,
почему количественные, операции косселепской бух-
галтерии с подобными фикциями напоминали куплю-
продажу гоголевских мертвых душ.
Электрон-шарик навсегда изгнан из владений ми-
кромира электроном-волной. И лишь для пущей на-
глядности остались традиционные символы электро-
нов: шарики, кружочки, точечки, которые со времен
Резерфорда пошли гулять по страницам учебников и
научно-популярных изданий. Особой беды в этом нет:
так проще понимать и объяснять. Беда в другом:
учебники подчас и нс желают идти дальше нечлено-
раздельных намеков на сложную и противоречивую
правду микромира. С идеями квантовой химии не зна-
комят не только в школе, но и во многих вузах. Так
не прививается вкус к исследованиям на переднем крае
одной из самых революционных наук нашего времени.
Так воспитываются все новые и новые .приверженцы
«лукрецианской» химии и биологии. Но так продол-
жаться далее не может. Ибо химия не хочет жить
вчерашним днем. Не может. Не имеет права. Нашест-
вие странного мира непривычных закономерностей не-
отвратимо. Пусть же скорее грядет она, эпоха стран-
ного мира в химии!
Разобравшись в тонкостях валентного штриха,
мы можем приступить к препарированию сопря-
женных связей.
171
Итак, физическая картина валентной черточки —
«арахисовый орех»? В случае молекулы водорода —
да. В случае ординарной С—С связи — да. А в слу-
чае двойной — нет. Вернее, наполовину нет.
Потому что одна из связей все же именно такая,
как в молекуле Н—Н. Ее обозначают греческой бук-
вой «сигма». Зато вторая — так называемая
пи-связь — выглядит совершенно иначе. Как?
Изобразите на листке бумаги арахисовый орех.
У вас получится плоский рисунок, похожий на вось-
мерку. Это сигма-электронное облако. Поставьте
жирную точку в центре каждой из округлостей
«восьмерки». Это ядра атомов углерода. Соединим их
прямой. Перед нами чертеж сигма-связи. А теперь
вообразите, что наша прямая линия — палка, на обо-
их концах которой прикреплено по двухлопастному
172
пропеллеру. Нарисуем и их. Получили две восьмерки.
Каждая восьмерка с виду плоская. Но так же, как
и рисунок арахисового ореха, она изображает прост-
ранственную фигуру. Что-то вроде толстой балясины
с тонкой перемычкой посередине. «Балясина» — это
пи-электронное облако. «Перемычка» — место, где на-
ходится атом углерода. А где же пи-связь? Округло-
сти обеих балясин так толсты, что входят друг в друга
(вспомните, что перед нами не крепкие деревяшки,
а эфемерные воображаемые облачка!). Подобное
двойное зацепление и есть грубый набросок пи-связи.
Теперь мы можем соединить точки, изображающие
атомы С, еще и второй линией.
Картина двойной углерод-углеродной связи готова.
Когда ученые разобрались в премудростях орди-
нарной и двойной ковалентной связи, настал черед и
бензола. Хватит, решили ученые, поморочил голову,
пора и честь знать. Бензол просветили рентгеновыми
лучами. Расшифровали структуру «скелета». И что
же? Оказалось, что молекула бензола — правильный
плоский шестиугольник.
Трехмерная призматическая архитектура сразуже
отпала. Все шесть связей в бензоле одинаковой дли-
ны. Отпали структуры с перекрестными штрихами и
формула Дьюара. Каждая углерод-углеродная связь
короче обычной ординарной, но длиннее двойной.
И все они равноценны. Так что и конструкция Кекуле
отпадает! Что же остается? Формула Тиле. Но ведь
половинные валентности с точки зрения бутлеровской
теории — абсурд! По какой же формуле прикажете
рассчитывать бензол? Было над чезл поломать голову.
В тридцатых годах нашего столетия появился ме-
тод валентных схем. Он восходил к классической ра-
173
боте Гейтлера и Лондона. Валентные схемы очень
похожи на структурные формулы, которые появились
в обиходе химиков около ста лет назад. В них симво-
лом «буква — черточка — буква» означены спарен-
ные электроны. Вроде бы просто, лаконично и нагляд-
но. Однако очень скоро эта кажущаяся простота
ввергла математиков в омут головоломок.
Молекулы с сопряженными связями первые подня-
ли черное знамя анархии. Самые интересные, пожа-
луй, с точки зрения химиков и биологов, они, видите
ли, не желали подчиняться квантово-механическому
кодексу. И уж, конечно, в первых рядах мятежников
очутился наш бензол.
Непокорный эффект сопряжения снова заставил
физиков призадуматься.
174
А может, догадка Кекуле не так уж и наивна?
Вдруг бензол действительно не имеет единой струк-
туры?
Еще в 1923 году английским химиком И и гольдом
была выдвинута теория мезомерии. Допускалось, что
формулы Кекуле отвечают предельным, пли возбуж-
денным, состояниям бензола. Реальный же статус мо-
лекулы — ни то ни се. Промежуточное бытие, кото-
рое возникает в результате взаимодействия предель-
ных структур. Мезосостояпие, как назвали его уче-
ные. И хотя еще сам Кекуле подозревал, что любая
из его формул — кривое зеркало призрака, было вве-
дено представление о мезомерии. Дескать, предельные
структуры путем перераспределения химических свя-
зей перевоплощаются в реально существующую ме-
зоструктуру.
Под зыбкую идею многоликих химических фанто-
мов вскоре был подведен квантово-механический фун-
дамент.
Американский физико-химик Полинг предложил
рассматривать строение молекул, не укладывающихся
в обычную валентную схему, как результат электрон-
ного резонанса.
(Термину «резонанс» не сыскать, пожалуй, под-
ходящей аналогии ни в музыке, ни в радиотех-
нике. Это скорее удобная метафора, не более,
хотя и ведет свою родословную от конкретного
физического явления.
К высокой перекладине на тоненьких ниточках под-
вешены два массивных шара. Оба связаны друг
175
с другом слабой пружинкой. Подтолкните один шар.
Он покачается, покачается и остановится. А тем вре^
менем отклонение второго шара от равновесия до-
стигнет наибольшего размаха. Так начнется чередова-
ние: колебания одного шара затухают, другого, наобо-
рот, нарастают. В таком случае можно говорить о ко-
лебании единой системы, состоящей из двух маятни-
ков. Это сложное движение можно представить как
сумму двух колебаний: одного с меньшей частотой,
другого — с большей, чем у шара, не связанного пру-
жиной с другим.
Расщепление уровней у атомов водорода при объ-
единении их в молекулу Нг рассматривается в кван-
товой механике как своего рода «резонанс» электро-
нов. Роль пружины играет валентная связь. И, по-
добно тому как движение связанных маятников мож-
но разложить на два других с большей и меньшей ча-
стотой, энергетические уровни взаимодействующих
электронов расслаиваются.
Полинг приложил идею электронного резонанса
к многоатомным молекулам. В частности, к бензолу.
Очевидно, что две структуры Кекуле соответству-
ют состояниям молекулы с одинаковой энергией. Мы
имеем право условно считать такую систему «резо-
нансной», подобно двум атомам водорода, объединяю-
щимся в молекулу. А раз так, то уровень энергии
бензола тоже «расщепляется». И реальная молекула
С6Н6 должна, естественно, находиться на более низ-
ком, самом устойчивом уровне. Только так можно
объяснить отклонение молекулы бензола от принципа
аддитивности.
Этот принцип вытекает из теории химического
строения. Валентная схема предполагает, что одни и
176
те же связи в разных молекулах сохраняют свойства
неизменными. Следовательно, свойства молекулы
в целом можно представить как сумму свойств от-
дельных связен. Так оно п есть во многих случаях.
Скажем, у этана С^Нб или октана C8IIls. Даже у сое*
динений, имеющих одновременно ординарные н двой-
ные связи. Но лишь в том случае, если они не сопря-
жены, не чередуются через одну, как в бензоле.
Если сложить энергии образования трех С —С и
трех С—С связей, то сумма окажется меньше, чем
энергия образования бензола, на целых 35 ки-
локалорий. Аддитивности нет. Далее: длина свя-
зи С—С равна 1,54 единицы, связи С = С 1,33 еди-
ницы, а у бензола все связи одинаковы и рав-
ны 1,394. Тоже отклонение от аддитивности. Вот по-
чему Полинг предложил для описания бензола ис-
пользовать всю совокупность валентных схем. Это,
конечно, не значит, что бензол являет собой смесь
изомеров — веществ одного состава, но разной струк-
туры. Более того: Полинг отмежевался и от мезоме-
рии, которую часто путали с резонансом. Теория ме-
зомерии предполагает, что молекула бензола непре-
рывно превращается из одной формы в другую. Дес-
кать, если бы удалось сфотографировать бензольную
структуру на кинопленку со скоростью 1030 кадров
в секунду, то на одном кадре мы увидели бы одну
формулу Кекуле, па другом — вторую. Но это не так.
В действительности, по Полингу, подобный экспери-
мент дал бы одно и то же смешанное состояние. Так
что понятие резонанса здесь имеет своеобычное кван-
тово-механическое толкование.
Из новых теоретических предпосылок родилась
разновидность метода валентных связей — метод на-
|2 Л. Бобров
ложения валентных структур, он же метод резонанса.
В нем квантово-химическое уравнение представлейо
суммой ряда функций. Каждому слагаемому Полинг
сопоставил одну из возможных формул. А сумму в це-
лом предложил толковать как «резонанс» валентных
структур.
Казалось, наконец-то бедняге бензолу повезло!
Пусть у бензола нет единого архитектурного образа.
Все пойдут в дело. Стоит только «наложить» их друг
на друга. То есть проделать расчет для одной струк-
туры, потом для другой, а результаты сложить. Вот
почему для описания одного и того же соединения По-
линг предложил использовать весь набор разношерст-
ных структурных формул.
Но в том-то и загвоздка, что язык букв и черточек
предоставляет в распоряжение химиков всего лишь
упрощенные (ради наглядности) схемы. Между тем
трижды прав Малликен, сказавший как-то: «Химиче-
ская связь не такая простая вещь, как кажется не-
которым людям».
А вот что говорит сам Полинг: «Разные вариан-
ты структур скорее возможны, нежели реальны.
И я не отвергаю обвинений в «идеализации».
Но ведь в классической теории Бутлерова штри-
хи двойной связи — тоже символ, некая идеа-
лизация!»
Валентные штрихи —- слишком грубый образ, что-
бы передать все тонкости того, как распределена элек-
тронная плотность. Известны соединения, которые во-
обще не могут быть описаны одними буквами и чер-
178
точками. Приходится вводить архитектурные украше-
ния в виде знаков «плюс» или «минус», чтобы хоть
как-то отразить распределение зарядов.
Да и сам метод расчета, довольно искусственный,
формальный, изобретенный лишь для удобства мате-
матиков, трудно назвать абсолютно безупречным.
Главный его изъян — произвол в выборе валентных
схем. У нафталина, например, их тридцать четыре,
хотя молекула его ненамного сложнее бензольной
(она получится, если «склеить» сторонами два шести-
угольника Кекуле). У антрацена, «склеенного» из
трех молекул бензола, — целых 429 схем! Из огром-
ной галереи портретов надо выбрать (в целях упро-
щения расчетов) несколько штук. То-то и оно: вы-
брать! И произвольно приписать им «статистический
вес» — вероятность данного состояния.
Ситуация получилась парадоксальной. С одной
стороны, химическая графика существует ради наг-
лядности. С другой — любая валентная схема, взятая
отдельно, явно недостаточна, даром что наглядна.
Чтобы передать все хитрости молекулярной структу-
ры, приходится чертить десятки, если не сотни, штри-
ховых изображений. Тут уж от наглядности не остает-
ся и следа.
У бензола коллекция электронных состояний по-
скромнее. Всего пять, если к двум формулам Кекуле
присовокупить еще и три «резонирующие» структуры
Дьюара:
12*
179
Причем выбирать не нужно: в дело идут все. Пять
«состояний» — пять слагаемых в квантово-химиче-
ском уравнении. Так что, казалось бы, ни о каком
произволе и речи быть не может. Но вот сопоставили
результаты расчета с данными другого метода. Ме-
тода молекулярных орбит. Там принимается, что
электроны распылены по всей молекуле, а не закреп-
лены в виде балясин в отдельных связях. При вычис-
лении эффективных зарядов обнаружились чуть ли не
десятикратные расхождения! Таким образом, ни фор-
мальный подход химиков-квантовиков к бутлеровским
структурам, ни попытка их глубоко проникнуть в сущ-
ность валентного штриха, несмотря на отдельные успе-
хи, не решали проблему в целом. Сопряженная связь
оказалась крепким бастионом даже для тяжелой ма-
тематической артиллерии. Но ученые не отступают
перед трудностями.
Если математика спотыкается в расчетах, значит
физическая модель не без изъяна. Значит, надо уточ-
нять электронную архитектуру молекулы.
В 1951 году советский химик Георгий Владимиро-
вич Быков высказал оригинальную идею. Пи-элек-
тронные заряды атомов равны нулю! Ну хорошо,
а что станет с нашими балясинами? Прежде чем ра-
зобраться в этом вопросе, придется вспомнить неко-
торые интересные физические особенности соедине-
ний с сопряженными связями.
Магнитное поле выталкивает пробирку с бензолом,
нафталином, антраценом или другим ароматическим
соединением. В чем дело? Объяснение одно. Под дей-
ствием магнитного поля электроны начинают циркули-
ровать по замкнутым цепям. Такими цепями в органи-
ческих соединениях служат молекулярные циклы, по-
180
добные бензольному. А всякий замкнутый ток — по
существу магнит. Потому-то пробирка и «выпрыги-
вает» из магнитного поля.
/И впрямь бензол похож на железо, из которого
построен <гЛ томиум»!
Но это еще не все. Известно, что графит проводит
ток, А вот алмаз нет. Хотя оба — одно и то же ве-
щество. Чистым углерод. Почему? В отличие от алма-
за графит имеет слоистое строение. Кристаллографи-
ческое исследование показало, что слои представляют
собой «паркет», выложенный шестиугольными плитка-
181
ми. И что плитка — углеродный остов бензола! Гра-
фит проводит ток вдоль слоев гораздо лучше, чем по-
перек. Именно потому, что электроны легко скользят
по ребрам плиток.
Экспериментальные факты подвели ученых к лю-
бопытному заключению. Молекулы ароматических
соединений, помещенных в магнитное поле, обладают
свойствами проводников! Точнее, сверхпроводников.
Ведь электроны обегают циклическую цепь без всяко-
го сопротивления.
Но если так, то в молекулах с сопряженными свя-
зями должны присутствовать, как и в кристалличе-
ских решетках металлов, свободные электроны. Сво-
бодные — это значит не прикрепленные к отдельным
связям! И такие электроны есть.
Помните наши балясины? Тогда мы пририсовали
к сигма-штриху между С и С вторую валентную чер-
точку. Сплошную линию, которая символизировала
собой сцепление пары балясин. А зря. Надо было на-
рисовать не сплошную черточку, а прерывистый пунк-
тир. И протянуть его не только над сигма-штрихом
двойной связи, но и над соседними сигма-штрихами
одиночных связей. Так ведь это же не что иное, как
формула Тиле! Да, если угодно, это она. Старая зна-
комая, однако смысл новый. Пунктирный кант — ни-
какие не половинные валентности. Это символ обоб-
ществления пи-электронов вдоль всей цепи. Каждая
балясина взаимодействует с обоими соседями. Обра-
зуется непрерывная цепочка взаимосвязанных элек-
тронных облаков.
Так постепенно уточнялась модель пи-связей.
Квантово-химические расчеты убедительно свидетель-
ствовали, что она является гораздо большим прибли-
182
жением к действительности, чем прежняя. И тем не
менее трудности давали о себе знать.
Теперь, когда обобществленное электронное обла-
ко протянулось сплошь по всей молекулярной цепоч-
ке, особенно много беспокойства доставлял ученым
вопрос о границах. Как отделить одно углерод-угле-
родное звено от другого? Точно определить, какая
часть облака находится окрест атома, какая — в меж-
атомном пространстве, было практически невозмож-
но. Приходилось выделять часть облака, находяще-
183
гося около атома, в особую зону. Не мудрено, что
установлению демаркационной линии сопутствовал
произвол. Этот произвол и приводил к расхождению
результатов при расчетах разными методами.
Вот тогда-то и была высказана Быковым новая
идея — пи-электронные заряды атомов равны нулю.
Иными словами, пи-электронное облако расквартиро-
вано целиком в межатомном пространстве. Новое по-
нятие — электронные заряды связей — было предло-
жено считать вполне реальной структурной характе-
ристикой молекулы.
Необходимость делить электронное облако между
атомом и связью отпала. Неопределенность в установ-
лении границ при подобном разделе — тоже. Расчеты
существенно упростились.
Вскоре американские теоретики Рюденберг и
Шерр разработали новую модель пи-связей. Модель
одномерного электронного газа. В поле положительно
заряженного сигма-электронного остова движутся пи-
электроны. Движутся свободно, независимо друг от
друга — совершенно иначе, чем это позволяли пред-
ставить балясины, накрепко привинченные к месту.
Движутся так, словно текут, переливаются по узень-
ким трубочкам, соединяющим вершины сигма-элек-
тронного остова — шестиугольника в бензоле. Тру-
бочки одномерны. Они имеют только длину, тогда как
балясины — объемные фигуры. Именно эти трубочки
и подразумевает сегодня химик-квантовик, рисующий
по стопам Тиле пунктирную окантовку внутри сплош-
ного бензольного цикла.
Первые же расчеты пи-электронных зарядов свя-
зей на основе новой модели увенчались успехом. А на-
чиная с 1956 года Быков пользуется в своих работах
новым понятием о сигма-электронных зарядах связей!
Это еще в большей степени, чем понятие о пи-элек-
тронном заряде, противоречит традиционным взгля-
дам.
Как нечто само собой разумеющееся, химики при-
выкли считать, что сигма-связь образуется локали-
зованным (пришпиленным к определенному месту)
дублетом. Что сплошная черточка между атомами
символизирует собой целочисленную электронную
связь. И нельзя рассчитывать эту связь, приняв, что
электронное облако рассредоточено по всей молекуле.
Самый строгий и нелицеприятный судья в науке —
опыт. Здесь пришлось ставить эксперимент теорети-
ческий. Были совершенно независимо рассчитаны сиг-
ма-электронные заряды связей в пропане (у нёго от-
сутствуют пи-связи) сразу двумя учеными, живущи-
ми по разные стороны Атлантики. Одному из них,
Сандорфи, понадобилось несколько часов работы вы-
числительной машины. Другому, Быкову, — несколько
минут с карандашом в руках. И вот результат — бле-
стящее совпадение!
<85
Здесь впервые мы сталкиваемся с вопросами:
а всегда ли нужны электронные машины в кван-
тово-механических расчетах?
Так контроль со стороны математики позволяет
уточнять в деталях строение молекул. Химики теперь
не просто рисуют бутлеровские черточки. Они строят
их физические модели. И проверяют правильность
своих допущений математическими средствами.
Проверяют для того, чтобы лучше постигнуть та-
инства химических явлений. И на этом пути они до-
стигли многого. Но еще больше предстоит сделать
впереди.
В наше время выявлены основные физические за-
коны, которые необходимы для построения строгих
количественных теорий чуть ли не во всех областях
химии. К сожалению, точное применение этих зако-
нов ограничено: чересчур громоздки математические
выкладки.
Однако нынешние ученые по-современному нетер-
пеливы. Дожидаться, когда будет разработан более
совершенный математический аппарат? Нет! В конце
концов наряду с количественными выводами кванто-
вая химия способна дать и качественные.
Разумеется, стремление получить наиточнейшие
количественные результаты вполне закономерно. Это,
если угодно, дань традициям квантовой механики.
И действительно: когда .системы содержат не более
3—4 электронов, расчетные данные хорошо согласу-
ются с экспериментально измеренными. В случае
молекул с 5—20 электронами приходится звать на вы-
ручку вычислительную технику. Для систем с числом
186
электронов более 20 точные расчеты уже неосущест-
вимы. Но так ли уж они необходимы?
В последние годы на электронно-счетных машинах
были с успехом проделаны очень громоздкие вычисле-
ния. При расчете молекулы Н2 волновая функция со-
держала более полусотни членов, атома Не —
1078 членов. Точность вычислении превысила точность
эксперимента. Между тем еще в 1933 году ученые
Джемс и Кулидж безо всяких быстродействующих
электронных машин, с карандашом в руках, расчис-
лили волновую функцию с 13 членами. Они получили
энергию связи 4,7198 электроповольта. Это составило
99,5 процента от опытного значения (4,7451 эв). Точ-
ность тоже вполне достаточная. Зато достигнута она
более простыми средствами! Этот пример заставит
призадуматься даже самого пылкого энтузиаста ма-
шинной математики в химии. В одном из лучших сов-
ременных расчетов молекулы N2 (14 электронов) бы-
ло получено такое значение энергии связи: 27 боль-
ших калорий на моль. В действительности же 225.
Вот какое расхождение! Чуть ли не десятикратное.
Что попишешь: не всегда удается точный расчет. Уж
слишком сложна физическая картина мпогоэлектроп-
ных молекул.
А зачем вязнуть в трясине бесконечных математи-
ческих сложностей? Имеет ли смысл проверять лиш-
ний раз правильность законов квантовой механики на
новых и новых примерах?
Конечно, диапазон от 1 до 20 электронов не так
уж мал. Здесь уйма увлекательных загадок. И точное
их решение весьма соблазнительно. Однако еще боль-
ше интересного остается за бортом этого интервала,
где о точности не может быть покамест и речи. Но от-
187
называться от точности — это не значит отрекаться
от квантовой механики! Порой вполне разумно огра-
ничиться приближенным решением проблемы. Прав-
да, такой подход приводит лишь к качественным и
полуколичественным оценкам. Зато он приложим
к системам любой сложности — от бензола до белка.
Многие почему-то считают, что математика — это
манипуляции с цифрами. Отнюдь не всегда! Матема-
тические критерии и логика не утрачивают силы при
качественном анализе явлений. Иногда достаточно
уловить общий характер закономерности, границы ее
применимости, степень вероятности событий, их ста-
тистическое распределение.
Конечно, не каждому понятию дашь безупречное
математическое истолкование. А блюстители матема-
тической строгости, увлекаясь формализмом, волей-
неволей игнорируют чисто химические особенности
явлений. Ответ на вопрос «почему» обычно настолько
проще, но подчас и важнее ответа на вопрос «сколько».
«Не такой требуется математик, — писал Михаил
Васильевич Ломоносов, — который только а трудных
выкладках искусен, но который, в изобретениях и до-
казательствах привыкнув к математической строгости,
в натуре сокровенную правду точным и непоползно-
венным порядком вывесть умеет. Бесполезны тому
очи, кто желает видеть внутренность вещи, лишаясь
рук к отверстию оной. Бесполезны тому руки, кто
к рассмотрению открытых вещей очей не имеет. Хи-
мия руками, математика очами физическими по спра-
ведливости назваться может».
Наше путешествие в микромир, начатое в лифте
«Атомиума», подходит к концу. Как не похожа сталь-
ная брюссельская громада на описанные нами кро-
183
хотные архитектуры! Там сталь — здесь органические
вещества — неметаллы. Там кусок кристалла — здесь
молекулы с валентной связью. Там четкая простран-
ственная геометрия — здесь воображаемые расплыв-
чатые очертания.
И в то же время между ними есть нечто общее.
Хотя бы характер поведения электронов в металличе-
ском кристалле и сопряженных связях. А главное
сходство в другом. И там и здесь — символ победы
над твоими тайнами, Природа! Победы, которая поз-
волит человеку чувствовать себя внутри молекуляр-
ных построек столь же свободно, как и в комфорта-
бельных помещениях «Атомиума».
QO
I II
oo
II :l
QO
Г лава
3
Необыкновенная связь
С каждым днем стареют учебники. Всего четыре
десятка лет назад сделало свой первый шаг стропти-
вое дитя физики и математики — квантовая химия. А
сколько классических представлений, выкристаллизо-
вывавшихся веками, низвергло оно за короткий срок!
Уравнение Шредингера занимает ровно одну
строчку. А отразило в себе, как капля воды Солнце,
весь грандиозный опыт старой и повой физики.
191
Впрочем, оно явилось не только итогом научного
прошлого. Оно стало мощным интуитивным рывком
в будущее. Именно математическая интуиция пред-
восхитила явление электронного спина — фундамен-
тальнейшую характеристику химической связи. Имен-
но квантово-механические расчеты позволили хими-
кам, как сквозь магический кристалл, заглянуть
внутрь валентного штриха, проникнуть в быстрый и
легкий мир призрачных электронных архитектур.
Спору нет, высоко вознеслось своими строгими и
изящными формами современное здание квантовой
химии над архаичными постройками химии лукреци-
анской. Но имеет ли это теоретическое здание «выхо-
ды» в практику? Или же химия производящая вынуж-
дена в бесцельном ожидании томиться у его парадно-
го подъезда?
(«Знание — орудие, а не цель». Так говорил ве-
ликий писатель и философ Лев Толстой. А если
с этим мерилом подойти к квантовой химии?
Век девятнадцатый нередко называют веком пара
и электричества. Но как назвать XX век? Атомным?
Космическим? Веком полимеров? Или электронных
машин? А может, веком сверхчистых веществ?
Любое из этих определений столь же правомерно,
сколь и ошибочно. Правомерно потому, что именно
в наш неугомонный век началось бурное развитие
новейших технических областей, неузнаваемо преобра-
зивших лицо планеты. И, ей-же-ей, нетрудно понять
специалиста, когда он из самых чистых побуждений
192
наделяет эпоху именем милого его сердцу направле-
ния. Быть может, даже чуточку переоценивая его зна-
чение и перспективы. И тем самым невольно умаляя
роль чуждой сферы деятельности. В этом-то, пожалуй,
и коренится ограниченность любого однозначного эпи-
тета, которым награждают нынешний мир науки и
техники. Он слишкОхМ многогранен, этот мир, чтобы
любое лаконичное- определение не грешило однобо-
костью.
И слишком беспокоен в своих дерзаниях, чтобы
довольствоваться уже достигнутым и оставаться завт-
ра таким же, как сегодня!
Но каким бы разносторонним ни был прогресс, ко-
торым гордятся ученые и инженеры XX века, на лю-
бом самом передовом участке размежеванной нивы
знаний уже пожинаются или зреют гибридные плоды
химии, физики и математики.
Лазеры. Полупроводники. Полимеры. Жароупор-
ные покрытия. Медикаменты. Материалы для ядер-
ной и ракетной техники. Надо ли перечислять даль-
ше? Воистину необъятен диапазон, где приложимы
идеи квантовой химии!
Энергетика. Вопрос вопросов технического про-
гресса. Перед глазами встают долговязые металличе-
ские мачты, шагающие с зажатыми под мышками
проводами из конца в* конец страны. Приземистые
плотины ГЭС, в чреве которых клокочет вода, размо-
лотая лопастями турбин. Нацеленные в небо жер-
ла труб с зыбкими хоботами дыма, рвущегося из
огнедышащих топок теплоэлектроцентралей. Мас-
сивная железобетонная броня атомных стан-
ций. Многометровые громады сооружений из камня
и металла.
13 Л. Бобров
193
А если все иначе? Без труб и котлов, без плотин и
турбин. Без угля, без воды, без урана. Просто открыл
саквояж, распаковал палатку, поставил на солнцепек,
и готово — включай ток. Вари уху на электроплитке,
слушай радиопередачи, брейся электробритвой, заря-
жай аккумулятор впрок, чтобы и вечером было свет-
ло. И все от одного источника — полупроводниковых
фотоэлементов, из которых сделана палатка. Фанта-
зия? Мечта? Пожалуй. Но если и так, то не очень да-
лекая от реальности.
СовсехМ недавно у полупроводниковых преобразо-
вателей солнечной энергии в электрическую коэффи-
циент полезного действия не превышал жалких долей
процента. А сегодня он подпрыгнул до 7—10 процен-
тов. И это, понятно, не предел. Ученые упорно изы-
скивают фотохимические катализаторы, которые по-
зволят эксплуатировать даровые солнечные лучи
с кпд 30—40 процентов. Но развитие науки о фото-
и термоэлектрических процессах немыслимо без кван-
тово-механического понимания явлений электронных.
Человек идет за Солнцем. Почему? Зачем?
Как?
На первый взгляд кажется, будто нет особой нуж-
ды ловить солнечные зайчики. В самом деле: чем ху-
же солнечных лошадиные силы того же пара? А раз-
ве человек не запряг к тому же и атом? То ли будет
впереди! На очереди — термоядерные электростанции.
Уж тогда-то энергии будет хоть отбавляй.
Верно. Хоть отбавляй. Но надолго ли?
По расчетам советского ученого Иосифа Самойло-
194
вича Шкловского, если каждое столетне объем про-
изводства будет удваиваться, то через 2500 лет он дол-
жен возрасти в 10 миллиардов раз! Это означает, что
в 45 веке потребности землян в энергии составят ве-
личину космического порядка — 0,0001 «тотальной»
мощности солнечного излучения. А возможности?
Подсчитано, что работа, которую способны дать
все запасы атомного топлива, всего в 20 — 30 раз
превосходит энергию горючих ископаемых, что
лежат еще не добытые у нас под ногами. Спору нет,
человечество овладеет секретом управляемого термо-
ядерного синтеза. Тем не менее общая мощность тер-
моядерных электростанций не может превзойти неко-
торый роковой предел. Академик Семенов считает,
что это ограничение связано с ‘перегревом земной по-
верхности и атмосферы. Так что едва ли удастся
получать термоядерную энергию в количестве, боль-
шем 5—10 процентов солнечной энергии, поглощаемой
нашей планетой и ее воздушным покрывалом. Вывод
один: энергетические ресурсы Земли явно недостаточ-
ны для нормального развития общества разумных су-
ществ на протяжении нескольких тысячелетий.
Между тем при утилизации солнечной энергии пе-
регрева Земли опасаться нет оснований. Солнце еже-
секундно посылает нам сорок триллионов больших ка-
лорий. Правда, большая часть этих щедрых золотых
потоков рассеивается и лишь отчасти поглощается
атмосферой. Поверхности достигает около трети лу-
чистой энергии; в южных широтах больше, в север-
ных — меньше. Если всю ее полностью превратить
в электрическую, то в производственной упряжке ока-
залось бы куда больше лошадиных сил, чем могли бы
дать термоядерные станции. Даже десятой доли сол-
13*
195
нечного тепла и света — тех, что падают на поверх-
ность одной только суши, — хватило бы для получе-
ния гигантских количеств энергии. В тысячи раз
больших, чем ее нынешнее мировое производство.
Чтобы добиться желанного результата, придется
покрывать фотоэлементами огромные участки суши,
а может быть, и водоемов. Однако тонкие кристалли-
ческие пленки, германиевые или кремниевые, — шту-
ка капризная. Сейчас их составляют из отдельных ку-
сочков — точь-в-точь как мозаичное панно. Но одно
дело мозаика размером с книгу или с газету, как на
спутнике, а другое — гектары лучеуловителей. Одно
дело безвоздушный штиль космоса, другое — беспо-
койное царство земных стихий. Порыв сильного ветра,
удар разгулявшейся волны — и хрупкий материал
вышел из строя. Несравненно лучше гибкие полупро-
водники. Только где их взять?
(Проблема — мягкие электростанции. Киловатты,
свернутые в рулон!
Полимеры... Сколько осуществленных желаний,
а еще больше надежд связано у людей с этим словом!
Юная гвардия синтетической химии уверенно вытес-
няет ветеранов, служивших технике верой и правдой
сотни и тысячи лет.
Прочен и красив гранит. Но как трудно его обра-
батывать! Просто обрабатывать дерево, но постройки
из него боятся малейшей искорки, быстро гниют. Сто-
ек к сырости и огню железобетон, но уж слишком он
«тяжел на подъем». Легок и долговечен алюминий,
196
однако сквозь него ничего не увидишь. К тому же он
легко растворяется в кислотах и щелочах. Бесстраш-
но отражает химические атаки стекло. Прозрачное,
оно ничего не скрывает от любопытного глаза. Но не-
даром же его хрупкость вошла в пословицу!
Не сделаешь шестерню из камня, электрический
изолятор из березы, корпус ракеты из железобетона,
химическую колбу из алюминия, рессору из стекла.
Инос дело — полимеры. Сочетая в себе достоин-
ство материалов-ветеранов, они обладают невиданны-
ми преимуществами. Из них уже делают прочные,
легкие, прозрачные, химически стойкие, неприхотли-
вые и недорогие пленки, под которыми прячутся це-
лые гектары плантаций от мороза и других капризов
погоды. По своим механическим свойствам полимеры
были бы идеальным конструкционным материалом
для солнечных ГЭС — гелиоэлектрических станций.
Эх, если бы они обладали еще и полупроводниковы-
ми свойствами! Тогда можно было бы...
Дух захватывает, если подумать, что принесут
с собой полимеры-полупроводники! Электростанции
в рулонах. Рубашка, которая одновременно является
батарейкой. Мягкие приемники, телевизоры, даже
электронно-счетные машины, складывающиеся, как
зонтик, или, чего доброго, как носовой платок. С та-
кой «амуницией» хоть на Луну. Однако насколько ре-
альны эти мечты?
Помните сопряженные связи? Пожалуй, это и есть
тот Рим, куда ведут сегодня дороги надежд кванто-
вой химии.
I Опять этот коварный эффект сопряжения! Ко-
варный? Да, но и многообещающий!
197
Полимеры с сопряженными связями находятся
в фокусе внимания ученых. Оно и понятно почему.
Если сигма-электроны, прикрепленные к атомам,
вдруг срываются с насиженного места, химическая
связь лопается. Соединение прекращает свое сущест-
вование, распадаясь на два других. Совсем иначе ве-
дут себя пи-электроны в сопряженных связях. Их ни-
как не назовешь домоседами. Они могут свободно раз-
гуливать вдоль всей цепочки атомов, придавая моле-
куле свойства сверхпроводника. Или полупроводника.
Все зависит от различий в длине ординарных и двой-
ных связен.
Вот гексатриен СН2=CH—CH = CH—СН = СН2.
Как и в бензоле, в нем шесть углеродных атомов
и три двойные связи. Похоже, будто перед нами
бензольное кольцо, разрезанное одним взмахом
ножниц и распрямленное в линейную цепочку. Разве
что по бокам еще присоединилось по атому водорода.
Но присмотритесь попристальней: в нем всего два
одиночных штриха. А парных —три! И хотя эффект
сопряжения налицо, чередующиеся связи неравноцен-
ны. Во всяком случае, межатомные расстояния С = С
и С—С неодинаковы. Энергия связи тоже. Это дока-
зывает расчет. И подтверждает опыт.
А что, если все-таки попробовать поменять места-
ми двойные и одиночные штрихи? Что тогда? Пожа-
луйста: СНз-СН = СН—СН = СН—СН3. Гекса диен.
Совсем другое соединение. В нем три ординарные и две
двойные связи. Так что, как видно, структуру гекса-
триена не описать больше чем одной-единственной
формулой. Между тем, если бы удалось гексатриен
свернуть в кольцо и «сшить» концы иголкой химиче-
ского взаимодействия, перед вами тут как тут объ-
198
явился бы наш двуликий выходец из мира молекул.
Бензольный цикл, в котором углерод-углеродные свя-
зи неразличимы. И он обладает сверхпроводимостью—
в отличие от линейной цепочки гексатриена.
Можно подумать, что равноценность чередующихся
связей присуща лишь циклическим молекулам. От-
нюдь нет. Свидетельство тому — существование ра-
дикалов типа СН2—СН = СН2 (точкой обозначен не-
спаренный электрон). Можно написать вторую, со-
вершенно эквивалентную схему СН2=СН—СН2, хотя
химическая формула в обоих случаях одна (С3Н5).
Речь идет о свободных радикалах. Что это такое,
можно узнать подробней, заглянув в последнюю
главу.
Интересная деталь: далеко не у всех циклических
молекул типа бензола (СбНб) чередующиеся связи
одинаковы. Есть такое соединение — циклооктатетра-
ен СвН8. У него простые и двойные связи чередуют-
ся. Тем не менее они не взаимозаменяемы. Ибо вось-
миугольная молекула циклооктатетраена вовсе не
плоская, не в пример бензольному шестиугольнику.
Мало того. В 1964 году было получено циклическое
соединение, имеющее состав бензола С6Нб. Считают,
что его пространственное строение описывается фор-
мулой Дьюара:
199
Правда, не плоской, а слегка согнутой вдоль самой
длинной связи, соединяющей противолежащие вер-
шины. И надо же: химики наотрез отказались при-
знать его бензолом!
Полное равноправие всех углерод-углеродных свя-
зей квантовая химия предсказывает лишь тем цик-
лам и цепочкам, для которых можно написать ми-
нимум две эквивалентные схемы. Именно эти соедине-
ния металличны. И сопряженные связи в них изобра-
жаются не только штрихом, но и пунктиром:
—с—С—С—
Зато свойства полупроводников проявляют молекулы
с сопряженными, однако, заметно не похожими свя-
зями: — С = С — С = С —. Скажем, полимеры
СН2 = СН — (—СН = СН—)п-2 — СН = СН2.
Чем же объясняет разницу в электрофизических
свойствах молекул квантовая химия?
Вспомним сперва, чем отличается полупроводник
от проводника. Разумеется, нас интересует сейчас не
то, что первый хорошо проводит ток, а второй сквер-
но. Из самого названия видно. В конце концов полу-
проводник — это все равно что полуизолятор. Хоте-
лось бы разобрать по винтикам и пружинкам сокро-
венный механизм такой половинчатости в свойствах.
Вот железо. Проводник. Почему? Да потому, что
в кристаллической решетке металлов всегда есть сво-
бодные электроны. А почему есть? И почему свобод-
ные? Лучше начать все по порядку.
Помните «Атомиум»? Девятка громадных шаров —
кусочек кристаллической решетки железа. Яркие све-
товые блики на сверкающих стальных округлостях—
200
лишь отдаленное напоминание о расплывчатых элек-
тронных облаках. Отдаленное хотя бы потому, что
у любого атома электронная архитектура много-
ярусна. У железа в первой оболочке два электро-
на. Во второй — восемь, в третьей -- четырнадцать,
(обратите внимание: четырнадцать! До полного комп-
лекта не хватает четырех электронов: ведь этот
ярус способен принять 2-32 ~ 18 электронов). В чет-
вертой, наружной, — два (оболочка тоже не запол-
нена). Всего двадцать шесть. У яруса-оболочки есть
ступеньки-слои. Это энергетические уровни. Чем выше
расположена ступенька, тем больше энергия сидяще-
го на ней электрона. На одной ступеньке по правилу
Паули (несовместимость квантовых состояний) не мо-
жет находиться больше двух электронов. Но уж ес-
ли они там очутились, их спины должны быть анти-
201
параллельными. Между ярусами электронам быть не
дозволено.
Таким образом, электрон в индивидуальном атоме
может обладать не любыми, а лишь некоторыми зна-
чениями энергии. В таких случаях говорят: энерге-
тический спектр у него дискретный (прерывистый).
Напротив, свободный электрон, оторвавшийся от
атома, может двигаться с любой энергией. Его энер-
гетический спектр сплошной, без разрывов. Ну, а в
кристалле?
При застройке атомов ярус к ярусу энергетические
уровни-ступеньки расщепляются на подуровни —
точь-в-точь как при образовании молекулы Н2 из
двух атомов водорода. Разве что там появилось два
подуровня, а здесь, в кристалле, в этом огромном се-
мействе атомов, их мириады.
Ведь на одном подуровне не может ужиться
больше двух электронов. (Да и то оба соседа мирно
сосуществуют лишь при условии, что спины у них
антипараллельны.) Вот почему электроны соседних
узлов кристаллической решетки вынуждены рассе-
ляться по разным ступенькам. Что ж, благодаря рас-
щеплению уровней места хватит всем — и отдельным
электронам и парочкам. Даже останется лишняя
«жилплощадь».
Но вог что интересно: когда происходит расщепле-
ние, подуровни так близко располагаются друг к дру-
гу, что практически сливаются в одну сплошную ши-
рокую полосу -- зону. Прежней дискретности энерге-
тического спектра, свойственной индивидуаль-
ному атому, как не бывало. И электроны в кристалле
обретают куда большую свободу передвижения,
чем внутри атома, хотя и не в такой степени,
202
как вольноотпущенники, полностью покинувшие
атом.
Правда, речь идет главным образом о наружных
валентных электронах. Ибо только они обобществле-
ны между всеми атомами кристалла. Коллективиза-
ция не затрагивает электроны, запрятанные во внут-
ренних ярусах. Там расщепления почти не происхо-
дит. Зато самая удаленная от ядра зона размыта
сильнее всех.
А теперь давайте поставим мысленный экспери-
мент. Перед нами кристалл. Мы не знаем пока,
проводник это или полупроводник. Пусть он охлажден
до абсолютного нуля. В таком состоянии валентные
электроны займут самые нижние подуровни.
Начнем подогревать кристалл. Тут-то он себя и вы-
даст!
Если это проводник, достаточно самой малой
порции энергии, чтобы электрон перешел в иное кван-
товое состояние. Например, перепрыгнул на одну из
верхних незанятых ступенек. Вернее — даже пере-
шагнул: незанятые ступеньки-то рядом! Ибо у про-
водника зона, как правило, не заполнена (вспомните
железо!).
Иное дело полупроводник. У него валентная зона
полностью укомплектована. А ближайший незанятый
подуровень отделен от нее широкой полосой запре-
щенной зоны. Чтобы преодолеть ее, электронам
требуется весьма энергичный шлепок. И до тех
пор пока ни один из них не будет выдворен из ва-
лентной зоны, ни о какой проводимости не может
быть и речи. Ведь электрический ток — это переме-
щение электронов. А оно связано с переменой кван-
товых состояний. Между тем у полупроводника
203
в забитой до отказа валентной зоне электронам не
дано изменять ни одно из своих квантовых
чисёл: все ступеньки заняты. И, только пере-
скочив через запрещенную зону в зону проводимо-
сти, беглецы обретают свободу передвижения. Зато
в частично заполненной зоне, которой обладают
металлы, созданы все условия для хорошей прово-
димости.
(Следите внимательней: то же самое происходит
и в молекулах с сопряженными связями. В кон-
це концов кристалл — это одна огромная
молекула!
Для многоатомных коллективов — кристаллов и
молекул — принцип Паули также сохраняет силу.
Понятно теперь, почему у полупроводников коли-
чество электронов в зоне проводимости намного
меньше, чем у проводников. Но этот «недостаток»
оборачивается стократным преимуществом. В провод-
нике почти все электроны свободны. Их очень много.
Поэтому внешнее воздействие мало сказывается на
электронном состоянии того же железа. Между тем
полупроводники болезненно чувствительны к свету и
теплу. Вышло солнце из-за облаков, поднялся стол-
бик ртути в термометре — малейшее усиление кван-
товой бомбардировки резко увеличивает число пры-
гунов через «запретную зону». Конечно, и проводни-
ки не безразличны к изменениям в окружающей сре-
де. Известно, что сопротивление металлов зависит от
температуры. Однако с ее повышением металл прово-
зе*
дит ток все хуже и хуже. Электронам-конькобежцам
все больше мешают тепловые колебания атомов в уз-
лах кристаллической решетки. Они превращают
скольжение между узлами решетки в бег с препят-
ствиями. Правда, нагревание полупроводника тоже
увеличивает противодействие току. И все же куда
быстрее растет число «конькобежцев». В результате
электропроводность возрастает. Нередко в тысячи и
даже миллионы раз. А сопротивление при нагревании
на один градус увеличивается лишь на доли про-
цента.
Итак, у любых кристаллических материалов элек-
тропроводность зависит от высоты «запретной зоны».
А у длинных и гибких полимерных нитей?
Молекула полимера с сопряженными связями на-
поминает ряд атомов в кристалле. Роль узлов крис-
таллической решетки выполняют атомы углерода.
И так же, как в кристалле, здесь соблюдается прин-
цип Паули — несовместимость одинаковых квантовых
состояний у электронов соседних связей. Тут-то и
начинается различие в проводимости.
Пусть в молекуле п сопряженных связей. Тогда,
очевидно, у нее будет 2п пи-электронов. Сигма-элек-
троны не в счет: они не влияют на электропровод-
ность полимера. Если длины ординарной и двойной
связей одинаковы, то пи-электрон любого атома С
пользуется неограниченными правами вольноотпущен-
ника. С равной вероятностью он может пребывать
справа и слева от своего «хозяина». Стало быть, мы
можем разбить мысленно молекулярную цепочку на
такие звенья:
205
Если ординарные и двойные связи неравноценны,
пи-электроны менее свободны. Они стараются дер-
жаться друг возле друга, парами. И местонахождение
обоих спаренных пи-электронов наиболее вероятно
в районе, который мы отмечаем двумя штрихами.
Здесь уже нам придется выделить иное звено цепоч-
ки: — С = С— .
Количество звеньев первого рода 2п, второго — п.
В каждом звене квантовые состояния должны отли-
чаться от соседних. Но расщепление уровней происхо-
дит неодинаково. В молекуле с равноценными сопря-
женными связями электронам отводится 2п ступенек,
с неодинаковыми — п. Электронов же в обоих случа-
ях поровну — 2п, то есть п пар. Каждой паре — по
ступеньке. Значит, в молекулах обоих типов электро-
ны могут запросто уместиться на п ступеньках.
Однако в молекуле типа
LX-C^C—С —
у них в запасе еще п «вакантных» ступенек! Вспры-
гивая на них, электроны придают молекуле свойства
проводника. А в молекуле типа —С = С—С = С — все
«разрешенные» ступеньки заполнены до отказа. Вы-
ше—«запретная зона». Чтобы подсобить электронам
ее преодолеть, попасть в зону проводимости, требует-
ся обстрелять молекулу квантами энергии. Перед на-
ми — явный полупроводник.
Разумеется, вовсе не обязательно, чтобы молекула
была линейной. Еще в начале столетия обнаружилось,
что у молекул антрацена под действием света увели-
чивается проводимость. Открытию не придали осо-
бого значения. И лишь в течение последних десяти-
206
пятнадцати лет развернулись систематические иссле-
дования циклических углеводородов с сопряженными
связями. Причем самых различных. И не только та-
ких, у которых скелеты составлены из одних углерод-
ных атомов, как, например, у коронена. Его название
созвучно со словом «корона». Действительно, структу-
ра его своей угловатой симметрией напоминает цар-
ский венец. Или кусочек паркета, составленный из се-
ми шестиугольных плиток.
В 1959—1960 годах ряд виртуозно проведенных
синтезов дал в руки охотников за полупроводниками
еще более необычные молекулы: Ciallie, С24Н24, С30И30.
Они напоминают корону, разве что без внутреннего
обода. Это как бы свернутая в кольцо полимерная
цепочка с сопряженными связями. Причем остовы
этих удивительных конструкций смонтированы сплошь
из углеродных атомов.
А вот фталоцианин содержит наряду с углеродны-
ми также и атомы азота. Да еще не в шестичленпых,
а в пятичлепных циклах. Атомы азота не просто зани-
мают место в каркасе этих архитектурных сооружений
микромира. Их присутствие благоприятно сказывает-
ся на проводимости. Доноры, готовые пожертвовать
своей неподеленной парой электронов, они вносят
дополнительный вклад в электропроводность моле-
кулы.
Немало интересных результатов при изучении фта-
лоцианина получено недавно советским ученым Вар-
таняном. Выявление особенностей, присущих молеку-
лярным постройкам с сопряженными связями, дает
возможность предвидеть, даже заранее программи-
ровать, свойства соединений, которые рождаются
в лабораторных колбах.
207
И архитекторы микромира неутомимы. Они возво-
дят все новые и новые полимерные сооружения по
чертежам квантовой химии.
В последние годы академики Александр Василье-
вич Топчиев и Валентин Алексеевич Каргин с сотруд-
никами разработали метод получения еще одной дико-
винки микромира. Представьте себе длинную поли-
мерную цепочку, «склеенную» из шестиугольных пли-
ток. Только на верхние зубцы такого молекулярного
«забора» вместо атомов углерода насажены атомы
азота. Изучение необычного полимера показало, что
он обладает неслыханными до сих пор значениями
проводимости. Причем нижний предел его электро-
проводности отличается от верхнего при комнатных
температурах в 10 миллионов раз!
Летом 1960 года в Москве состоялся Международ-
ный симпозиум по макромолекулярной химии. После
его окончания известный французский химик профес-
сор Сорбоннского университета Мишель Мага заявил:
«Одним из наиболее выдающихся исследований по-
следнего времени явилась работа академиков
208
А. В. Топчиева, В. А. Каргина и их сотрудников по
приданию полимерам полупроводниковых свойств!»
Работы советских ученых ознаменовали собой но-
вый этап в истории органических полупроводников.
Этап, когда начался переход от наблюдения электрон-
ных архитектур к активному синтезу полупроводни-
ковых молекул с заранее заданными свойствами.
1Как вы считаете: были бы достигнуты все эти
успехи без содействия квантовой механики?
Думается, нет.
Одно из самых желанных свойств, которые химики
стремятся придать полимерам-полупроводникам, —
термостойкость. Что толку, если пленочные электро-
станции окажутся неженками! Ведь им придется рас-
кинуть свои легкие покрывала не где-нибудь, а в пер-
вую очередь над знойными просторами Казахстана,
Средней Азии, над раскаленными песками Сахары.
А установленные на ракетах и реактивных самолетах,
они должны безбоязненно выдерживать нагревание ог
трения о воздух.
Что ж, и этих достоинств не занимать органиче-
ским полупроводникам. Квантовая химия подсказы-
вает, а опыт подтверждает, что свобода, предостав-
ленная пи-электронам в системах с сопряжением,
приводит к уменьшению внутренней энергии связей.
А это предопределяет повышенную термостойкость
таких систем.
Не так давно разработан способ синтеза полифе-
нилена. Молекула продукта представляет собой длин-
14 Л. Бобров
209
ную цепочку из бензольных колец. Правда, они сцеп-
лены не так, как шестиугольники в соединении, полу-
ченном Топчиевым и Каргиным. Не так тесно, не бок
о бок: каждый цикл связан с другим валентной ни-
точкой. Вещество труднорастворимо и неплавко.
А главное, выдерживает нагревание до 400—700 гра-
дусов! И это не предел термостойкости у органиче-
ских полупроводников.
Трудно поверить, что органический полимер мо-
жет выстоять в пламени, от которого плавится желе-
зо. И тем не менее факт налицо. Химики научились
получать полиацетилен. В нем чередуются одиночные
и тройные связи: НС= С—(—С= С—)п — С^СН.
В тройных связях свободных пи-электронов вдвое
больше, чем в двойных. Эффект сопряжения, понятно,
и здесь обусловливает электропроводность. Но в от-
личие от большинства своих собратьев полиацетилен
выдерживает жару в 2000 градусов! Лишь при
2300 градусах он переходит в графит.
С каждым днем пополняется семья молекул с за-
мечательными электрофизическими свойствами. Успе-
хи квантовой химии непрерывно раздвигают границы
поиска в органической химии. То ли еще будет впе-
реди!
I Однако здесь настала пора оговориться и трезво
посмотреть в лицо действительности глазами
инженера-конструктора.
Вот молекула-полупроводник. Многообещающий.
Гибкий. Термостойкий. Но... увы, слишком коротень-
кий. Самая длинная молекула невидима и в наимощ-
210
нейший электронный микроскоп. Оперировать такими
объектами, даже в наш век микроминиатюризации,
и самому искусному Левше покамест не под силу.
Неужели же столь соблазнительная идея окажется
техническим пустоцветом?
— Нет! — уверенно говорят ученые.
Будут электростанции в рулонах, мягкие счетные
машины, рубашки-батарейки. На смену эпохе микро-
миниатюризации придет эпоха микроминиатюризации.
Полупроводниковые слои будут становиться все тонь-
ше. Но вместо крохотных, с почтовую марку или па-
пиросную коробку, электронных приборов появятся
гектары полимерных пленок, которые не позволят
Солнцу впустую транжирить золотые потоки лучей.
На чем основана столь категорическая уверен-
ность? Здесь бы в самую пору поговорить о всемогу-
ществе человеческого разума. О неизбежности победы
света знания над мраком незнания. О том, что наука
«вся — езда в незнаемое». Что сегодня нельзя пред-
восхитить завтрашние революции в науке и так да-
лее. Выпустить на читателя полную обойму всего, на
что так падка чернильная душа журналиста.
Но нынешнего читателя на мякине не проведешь.
Ему подавай конкретные факты. Конкретные пути
развития, претворения, внедрения. А если их нет?
Вернее, пока нет? Тут-то и можно удариться в фан-
тастику. Бодро строить прожекты, один другого про-
ницательнее. Словом, почти как у Герберта Уэллса.
Сказать правду, такой спасательный круг здесь то-
же мало поможет. Уж лучше выложить начистоту то,
что прячется за сухими строчками научных отчетов.
При всей скромности выводов они вызывают уваже-
ние своей строгостью и аргументированностью.
14*
211
Вот что сказано в монографии «Органические по-
лупроводники», выпущенной издательством Академии
наук в 1964 году: «Когда мы имеем дело с ансамблем
молекул, то механизм проводимости складывается из
двух процессов — движения носителей тока по моле-
куле и процесса перехода их от молекулы к молеку-
ле... Благодаря особенностям линейных высокомолеку-
лярных соединений в них сравнительно простыми ме-
тодами можно варьировать надмолекулярную струк-
туру и тем самым оказывать влияние на межмолеку-
лярные расстояния, на условия контакта между мо-
лекулами, а следовательно, и «управлять» электропро-
водностью. Картина, безусловно, усложнится при пе-
реходе к реальным материалам, молекулы которых
полидисперсны, где всегда имеются примеси, могущие
быть донорами или акцепторами».
(«Полидисперсны» — значит разнокалиберны,
имеют разные размеры. Такая неоднородность
может помешать архитекторам микромира соз-
давать полупроводниковые молекулярные ан-
самбли.
И еще: «Для решения вопросов, определяющих пе-
реход носителей тока от молекулы к молекуле, необ-
ходимы прежде всего глубокие структурные иссле-
дования».
Межмолекулярные расстояния... Надмолекулярная
структура... Постойте-ка, ведь мы уже немного зна-
комы с содержанием этих терминов. Помните водо-
родную связь и донорно-акцепторное взаимодействие?
212
В металлическом кристалле, в органическом полупро-
воднике, в клетке ли — всюду огромна роль среды,
окружающей молекулу.
Именно здесь пролегают тропы во многие заповед-
ные уголки науки. Тропы неторпые, нехоженые и по-
тому так призывно манящие к себе неугомонную на-
шу молодежь.
Неужели так-таки и нет никаких пунктиров на
картах первопроходчиков в область органических по-
лупроводников? Неужели научная интуиция капитули-
ровала перед неизведанным? Неужели осталось упо-
вать на голую эмпирику — пробовать так, потом этак,
авось что-нибудь выйдет? Не может быть, чтобы уве-
ренность ученого не стояла на твердой почве рабочих
гипотез!
Лет семь тому назад Издательство иностранной
литературы перевело великолепную книжку лауреата
Нобелевской премии сэра Джорджа Томсона «Пред-
видимое будущее». С чисто английским юмором автор
писал в предисловии: «В некоторых разделах книги
я вышел за рамки теорий, в которых я могу претен-
довать на какие-либо профессиональные знания. Про-
шу тех, в чьи заповедные угодья я вторгся, простить
мне мою опрометчивость. И если отдельные трофеи,
о которых я пишу, существуют только в моем вообра-
жении, то по крайней мере такое браконьерство не
причиняет никакого ущерба законным владельцам,
тогда как случайный пришелец может порой увидеть
то, что является одновременно и неожиданным и ре-
альным».
Один из «трофеев» Томсона, сэра Джорджа, имеет
прямое отношение к нашему рассказу.
В разделе «Упрочнение материалов» автор затронул
213
интересный вопрос. Удастся ли придать полимерным
волокнам еще большую крепость? И если да, то ка-
ким способом?
В одном из романов Герберта Уэллса фигурирует
сверхтонкая веревочная лестница. Ее разглядеть-то
как следует нельзя было, а между тем канаты-паутин-
ки выдерживали вес целой грозди людей. Из чего бы-
ли сделаны нити? Писатель не дал ответа на наш
вопрос. Взглядом художника видел он грядущее. Том-
сон всматривается в будущее глазами ученого.
И натуральные и искусственные волокна, говорит
он, состоят из длинных молекул. Цепочки атомов рас-
полагаются обычно вдоль нити. Что же происходит,
когда волокно лопается? Быть может, рвутся валент-
ные связи? Мы уже видели, что нетрудно рассчитать
силу, необходимую для расторжения уз межатомного
сцепления. Оказывается, если бы разрыв нити озна-
чал одновременный поперечный разрыв всех полимер-
ных молекул, то такое волокно должно бы быть
в двадцать раз крепче любого из самых прочных те-
перешних!
«Организовать» подобный единодушный разрыв
мешает, вообще говоря, та же причина, что и созда-
нию «макроминиатюрных» органических полупровод-
ников — крохотные размеры молекул. Если бы нить
имела нормальную толщину, а длиной была с поли-
мерную молекулу — тогда другое дело. Можно еди-
ным махом разорвать все валентные связи. Но как
в таком случае уцепиться за ее концы?
Реальная нить — длинный клубок тесно перепу-
тавшихся многоатомных цепочек. Далеко не все мо-
лекулы полимера расположены голова к голове, хвост
к хвосту. Иногда они цепляются своими извивами
214
друг за друга, причем беспорядочно, как попало. Ино-
гда просто касаются друг друга. Что же придает во-
локну прочность?
Томсон высказывает два предположения.
Возможно, когда на волокно действует нагрузка,
молекулярные цепочки подвергаются неодинаковому
напряжению. Где тонко, там и рвется: как только
большая часть растягивающего усилия сосредоточи-
вается на какой-нибудь одной тонюсенькой молекуле,
валентная связь лопается и нагрузка перемещается
на следующую молекулу. Та, понятно, не выдер-
живает. И так далее. Атомные постройки трещат по
всем валентным «швам».
Однако, сам себе возражает Томсон, при такой
схеме следовало бы ожидать значительного удлине-
ния волокна. Не меньше чем на десятую долю.
А этого в действительности не наблюдается.
Остается другое объяснение: волокна не выдержи-
вают нагрузки из-за сдвига одних молекул по отно-
шению к другим. Большинство их при разрыве волок-
на остаются целыми. Расчеты, исходящие из таких
предпосылок, подтверждаются 'измерениями.
Вывод: своей прочностью волокно обязано не вну-
тримолекулярным, а куда более слабым межмолеку-
лярным силам. Но это все предисловие. Самое инте-
ресное ожидает читателя впереди.
Пути увеличения прочности. Каковы они?
| Вот они, три трофея Джорджа Томсона!
Во-первых, удлинение молекул. Чем протяженнее
полимерные цепочки, тем больше площадь контакта
215
между ними. Стало быть, тем значительнее действие
межмолекулярных сил. Опыты свидетельствуют, что
подобное наращивание новых звеньев на полимерную
цепочку действительно приводит к росту прочности
материала. Однако здесь существует потолок: по до-
стижении определенной длины дальнейшее упрочне-
ние прекращается. Возможно, оттого, что отдельные
неправильности в структуре материала или самой мо-
лекулы вынуждают одну часть молекулы растягивать-
ся и сдвигаться по отношению к соседней молекуле
раньше, чем все силы, цементирующие волокно, рав-
номерно распределят между собой нагрузку.
Путь следующий—«сшивание» молекул. Под дей-
ствием излучений связи между атомами расшатыва-
ются, разрываются (вспомните молекулу Н2О в верх-
ней атмосфере). Именно с этой целью направляют
ученые на полимер потоки всепроникающего радио-
активного излучения. Но в компактной массе веще-
ства, где молекулы сгрудились очень тесно, взамен
216
порванных валентных связей нет-нет да п образу-
ются другие — между соседними полимерными моле-
кулами. Причем сигма- и пи-связи углеродного кар-
каса могут остаться неповрежденными. Валентные
мостики между молекулами удается построить на об-
ломках разрушенных связей С—Н, а не С—С или
С = С. Ловко орудуя гамма-лучами» словно тончай-
шими искуснейшими спицами, химики рано или позд-
но научатся превращать волокна в одну гигантскую
разветвленную молекулу.
Наконец, Томсон уповает еще на один шанс.
Сцепление молекул! Цирковые фокусники запрос-
то умеют это делать с металлическими кольцами.
А химики с молекулами? В 1963 году в журнале
«Сайентифик америкен» появилась статья под назва-
нием «Химическая топология». В ней сообщалось
о сенсационном эксперименте. Две кольцевидные мо-
лекулы, полученные из линейных, удалось зацепить
так, что они стали звеньями одной цепочки! Звеньями
химически индивидуальными — они не сцеплены ва-
лентной связью. Но разорвать цепочку можно было,
лишь разрушив какую-нибудь валентную связь одного
из звеньев.
Томсон размышлял о путях увеличения прочнос-
ти. А ведь если присмотреться, в его прогнозах содер-
жится намек и на методы создания полупроводнико-
вых материалов из молекул с сопряженными связями.
Какими они будут, эти материалы? Составленными из
сверхдлинных макромолекул, как стальной трос из от-
дельных проволочек? Или сшитыми из разных поли-
мерных цепочек в одну гигантскую разветвленную мо-
лекулу, напоминающую углеродный паркет в графи-
товом слое? А может, найдет применение цепочечное
217
зацепление молекулярных циклов, каждый из кото-
рых, как известно,4 являет собой круговой ток; а зна-
чит, и магнит?
Гадать не будем. Тем более что возможны иные
пути. Они уже привели к рождению самых настоящих
органических полупроводников. Настолько совершен-
ных, что перед действительностью бледнеют даже
мечты инженера. Что же это за полупроводники? Где
они? И почему ученым не перенять как можно скорее
замечательный технологический опыт?
IK органическим полупроводникам мы еще вер-
немся, а покамест посмотрим, как солнечный
зайчик превращается в сочный бифштекс.
...В неоглядных просторах мироздания по строго
вычисленной орбите несется космический корабль. На
борту его — миллиарды пассажиров. Этот корабль —
наша Земля. Он обеспечен всем необходимым.. Един-
ственное, что ему приходится заимствовать из космо-
са, — солнечная энергия. Все остальное... А вот от-
куда оно, это «все остальное»?
Подсчитано, что суммарный объем существ, когда-
либо населявших нашу планету, намного больше
земного шара. Вступают в жизнь новые поколения, но
Земля не «худеет»: по-прежнему безбрежен воздуш-
ный океан, не иссякают водоемы, не скудеют ресурсы
плодородия. Вместе с тем Земля и не прибавляет
в весе, если не считать ничтожного пополнения запа-
сов земного вещества за счет метеоритов и космиче-
ской пыли (около 10 тысяч тонн в год). Откуда же
218
берутся в таких колоссальных количествах материалы
для построения организмов?
Еще Лукреций вопрошал:
«Коль всему, что от старости в ветхость
приходит,
Время приносит конец, вещество истребляя,
Как и откуда тогда возрождает Венера
животных
Из роду в род?»
Щедрыми потоками изливает на Землю тепло и
свет наше дневное светило. «Пойманный» растениями
луч становится причиной удивительных метаморфоз.
Из углекислого газа и воды, из минеральных веществ
атмосферы и литосферы в хлорофилле зеленого листа
синтезируются сложные органические соединения —
углеводы, белки, жиры. Становясь пищей для живот-
ных, они рано или поздно возвращаются в лоно ма-
тери Земли. Возвращаются как продукты двух про-
цессов. Во-первых, в виде отходов от переработки
в живом организме. Во-вторых, в результате гниения
умерших животных и растений. Таким образом, все
сущее на нашей планете участвует в непрерывном
круговороте химических веществ, входящих в состав
воды, воздуха и верхнего слоя Земли. Этот грандиоз-
ный круговорот протекает внутри биосферы. (Так на-
зывается сферическая прослойка между земными не-
драми и космической бездной, заселенная живыми
существами.)
Биосфера Земли — замкнутая саморегулирующая-
ся система, где непрерывно поддерживается биологи-
219
ческое равновесие. Вещества становятся частью су-
ществ. Существа выделяют вещества. А после смер-
ти и сами превращаются в вещества.
Нормальный взрослый организм обычно не худеет
и не прибавляет в весе. А ведь в сутки он поглощает
килограммы вещества в виде еды и напитков! Значит,
столько же веществ выводится из организма.
Из пищи мы заимствуем не вещество, а энергию.
И если количество вещества в биосфере остается по-
стоянным, то откуда же берется огромное количество
энергии для бесчисленных химических превращений?
Солнечный луч — вот что вращает гигантский ма-
ховик круговорота химических веществ в биосфере.
Валерий Брумель упруго подбрасывает свое тело
и легко переносит его через планку, установленную
иа двухметровой отметке.
Василий Смыслов в полной неподвижности сосре-
доточенно продумывает очередную шахматную комби-
нацию.
Иннокентий Смоктуновский произносит монолог
Гамлета, создавая полную иллюзию собственного ду-
шевного надлома.
Любое напряжение мышц или мозга, любые физи-
ческие, умственные или эмоциональные усилия тре-
буют затраты энергии.
И вы, дорогой читатель, пробегая глазами мелкий
бисер типографских литер на этой странице, тоже рас-
ходуете энергию.
Откуда же она берется? Странный вопрос: ну, ра-
зумеется, от сгорания пищи в организме! Не с неба
же в конце концов, А в пище откуда?
Если вы вегетарианец, то с неба, и только с неба.
Нет, серьезно. Ведь энергетический цикл жизни начи-
220
нается именно с того момента, когда солнечный зай-
чик упадет на зеленый лист!
Лишь представители зеленого царства флоры спо-
собны «консервировать» энергию фотонов, превращая
ее затем в биохимическое топливо для всевозможных
энергетических процессов в теле животных. И даже
самый плотоядный хищник, который презирает веге-
тарианскую диету, пожирая очередную жертву, в ко-
нечном счете пользуется именно энергией Солнца, за-
пасенной в растительных тканях и перекочевавшей
в организм травоядных животных.
Вот фотон, посланный далеким светилом, угодил
в органическую молекулу зеленого листа. Это моле-
кула зеленого красителя — хлорофилла. Один из
электронов валентной пары тотчас возбуждается, под-
прыгивая на более высокую ступеньку — точь-в-точь
как в полупроводнике. Рано или поздно он, конечно,
вернется в свое прежнее состояние, но долгим и слож-
ным будет его обратный путь. И кто бы мог подумать,
что все богатейшее разнообразие жизненных проявле-
ний укладывается в эту простенькую схему: стрелка
вверх — переход из основного состояния в возбуж-
денное; стрелка вниз — возвращение восвояси. Ко-
нечно, за второй стрелкой таится целая эпопея элек-
трона и кванта, перед красочностью и драматизмом
которой тускнеют странствия самого Одиссея.
Самое удивительное: хлорофилл работает как
полупроводник.
Когда электрон перескакивает в зону проводимо-
сти, на ступеньке, где он сидел, остается пустое мес-
121
то. Но это не просто «дырка от бублика». Отсутствие
электрона эквивалентно появлению единичного поло-
жительного заряда. Поэтому «дырка» притягивает
к себе электрон, как бы зовет его обратно. Но, воз-
несенный квантом света в зону проводимости, он и
не думает возвращаться обратно.
Такое состояние очень неустойчиво. Обычно оно
продолжается лишь миллионные доли секунды. Затем
энергия электронного возбуждения переходит в дру-
гие формы. Например, в тепловую: начинают вибри-
ровать валентные связи-пружинки, атомы одной
молекулы соударяются с атомами соседней. Вещество
разогревается.
Конечно, это не единственный вариант. Электрон
может упасть на прежний энергетический уровень,
заполнив своей персоной «дырку» и высветив квант
энергии. Такое падение проявит себя в виде флуоре-
сцентного свечения. И тогда хлорофилл просто-на-
просто возвратит «ссуду», выданную ему Солнцем,
так и не пустив ее в оборот. Нас же интересует дру-
гой случай: каким путем кипучая энергия электрона
преобразуется в энергию биохимического «топлива»?
Известно, что при фотосинтезе зеленый лист вы-
рабатывает углеводы, усваивая углекислый газ и вы-
деляя кислород. Реакция протекает с поглощением
энергии: СО2 4- Н2О + 112 ккал = (СН2О) 4- О2. Энер-
гия солнечного луча переходит в энергию валентных
связей. И легко высвобождается при обратном про-
цессе: (СН2О) 4-О2 = СО2 4-Н2О 4- 112 ккал. Напри-
мер, при сгорании глюкозы в нашем организме (глю-
коза может гореть и в пробирке). И это естественно:
полная энергия системы понижается. Зато обратить
вспять ход процесса, заставить углекислоту и воду
222
превратиться в углевод несравненно труднее. Здесь
химику не обойтись без катализаторов, повышенных
давлений и температур. А зеленый лист проделывает
эту операцию легко и просто.
Молекула хлорофилла состоит из двух частей.
Первая — остаток спирта фитола — представляет
собой линейную углеводородную цепочку. Вторая и
самая главная — так называемое большое порфири-
новое кольцо. Оно, в свою очередь, составлено из ма-
223
лых циклов — пятичленных, с атомами азота, обра-
щенными внутрь и охватывающими центральный атом
магния. Перед нами замкнутая система сопряженных
связей. По этой кольцевой трассе и начинает свой
вояж возбужденный электрон. Такой циркулирующий
ток не связан с энергетическими потерями. Молекула
переходит в метастабильное состояние. Оно более
устойчиво, чем обычное возбужденное, и может со-
храняться в течение отрезка времени, который в мил-
лионы раз длиннее.
А что же будет потом — по истечении этих не-
скольких десятитысячных долей секунды?
Энергия фотохимической активации перекочевы-
вает вместе с электроном на соседнюю молекулу.
Да, на соседнюю, как это ни удивительно. Налицо
межмолекулярный перенос заряда — тот самый, ме-
ханизм которого так интересует инженеров — твор-
цов органических полупроводников.
(Сколько патентов хранится в сейфах живой
природы! Действительно: природа — богатейший
политехнический музей.
Чтобы углекислота СО2 превратилась в глюкозу,
ей нужен водород. И энергия! Поставщиком того и
другого служит трифосфопиридиннуклеотид ТПН.
Чтобы стать настоящим межмолекулярным «комми-
вояжером», он должен сначала перейти в восстанов-
ленную форму: ТПН — Н. Здесь — Н является сим-
волохм того самого водородного атома, который пред-
назначен для углекислоты. Агент по поставке водорода
224
собирает свой товар по частям. Одну часть — элек-
трон он получает от хлорофилла. Другую — про-
тон — от воды.
Воды в зеленом листе много. И ее молекулы
частично диссоциированы на протон и гидроксил:
Н2О = Н + + ОН~. Протон воды вместе с возбуж-
денным электроном хлорофилла идет на построение
высокоэнергетических валентных связей глюкозы.
А оставшийся неприкаянным гидроксил?
Он тоже не пропадает втуне. Если отнять у него
электрон, произойдет расщепление: ОН- = 0 + Н + +
+ 2е. Кислород выделится в атмосферу. Водород то-
же не останется без дела — на него всегда при фото-
синтезе спрос большой.
Электрон же поступает в распоряжение веществ-
переносчиков. Новые агенты по поставке обдирают
электрон как липку, заставляя его раскошелиться и
истратить всю свою избыточную энергию на создание
высокоэнергетических связей в молекуле аденозинтри-
фосфата (АТФ). Молекула образуется из аденозинди-
фосфата (АДФ), присоединяя к себе остаток фосфор-
ной кислоты. Обратный процесс — разложение АТФ
на АДФ и фосфатный остаток — протекает с выделе-
нием энергии. Высвобожденная энергия идет в фонд
помощи углекислоте — на образование из нее глю-
козы. А окончательно растратившийся электрон вод-
воряется на место «дырки» в молекуле хлорофилла.
Цикл фотосинтеза завершен.
Так из воды и углекислого газа зелеными фабри-
ками вырабатывается глюкоза. В ее межатомных
связях законсервирована энергия солнечного зайчика.
Переходя в организм животных, глюкоза станош1тся
биохимическим топливом. Сгорая по схеме (СН2О; <
(5 Л. Бобров ^5
+ 02 = СО2 4-Н20 4-112 ккал, она отдает свою энер-
гию на образование АТФ из АДФ и фосфорной кис-
лоты. Энергия запасается валентными связями. А уж
отщепление фосфата поставляет животным и человеку
энергию для всех процессов жизнедеятельности.
Молекулы хлорофилла расположены в цехах ми-
ниатюрных зеленых фабрик отнюдь не как попало.
Они не просто плавают в соках растительной клетки.
Положите лист любого вашего комнатного растения
нй твердую гладкую подставку, не отрывая его от
ветки. И легонько прокатайте карандашом. Фотосин-
тез немедленно прекратится! Достаточно малейшего
нарушения клеточной структуры, чтобы живой полу-
проводник перестал работать.
Архитектура живых фабрик сложна и тонка. Плос-
кие молекулы хлорофилла лежат стопками внутри
особой структурной ячейки — граны. Каждая моле-
кула напоминает полупроводниковую пластинку фото-
электрического элемента, каждая грана — сам эле-
мент, а совокупность гран — батарею элементов.
Ежегодно зеленые «электрические батареи» акку-
мулируют такое количество солнечной энергии, сколь-
ко могли б& дать двести тысяч электростанций, рав-
ных по мощности Волжской ГЭС имени В. И. Ленина,
Научиться изготовлять такие же высокоэффективные
полупроводниковые батареи, подобные тем, что дей-
ствуют внутри растений, — заветная мечта ученых и
инженеров. Известный французский физик Фредерик
Жолио-Кюри как-то сказал: «Хотя я верю в будущее
атомной энергетики, однако настоящий переворот
в энергетике наступит лишь в тот день, когда мы
сможем осуществить массовый синтез молекул, подоб-
ных хлорофиллу, или даже лучше него». Ученый под-
226
считал: если б удалось использовать всего одну деся-
тую часть солнечной радиации, падающей на Египет,
то этого с лихвой хватило бы для удовлетворения ны-
нешних энергетических потребностей человечества.
IA для утоления энергетической жажды в дале-
ком будущем? Нельзя ли использовать фотохи-
мические процессы?
Но вернемся к энергетическому циклу в биосфере.
Не зря изображают его начало стрелкой, направ-
ленной вверх. Вторую стрелку придется нарисовать
изогнутой: опускаясь на прежний энергетический уро-
вень, электрон участвует в различных приключениях,
где и отдает постепенно свою энергию. Жизнь управ-
ляется именно электронами! А электрон, движущийся
по замкнутому контуру, — не что иное, как слабый
электрический ток. Стало быть, жизнью движут сла-
бые электрические токи, питаемые солнечным светом.
И в этих тончайших биологических тонкостях не ра-
зобраться без квантовой химии.
Без химии — да, это очевидно. Но почему обяза-
тельно квантовой? В конце концов переход электро-
нов от молекулы к молекуле — разве это не обычная
химическая реакция? Разве к ней неприложим при-
вычный язык букв и черточек?
Обычный окислительно-восстановительный про-
цесс — это классическая химическая реакция, которая
сопровождается перестройкой молекулярной структу-
ры. Такая перестройка осуществляется по двухвалент-
ному механизму. Иными словами, в окислительно-
16*
227
восстановительном процессе электроны удаляются или
присоединяются парами. Это связано с тем, что все
стабильные органические соединения содержат четное
число электронов.
Взять, к примеру, горение углеводов. Реакцию
(СН2О) 4- О2 = СО2 + Н2О можно изобразить иначе,
привлекая на помощь двоеточия Льюиса:
н :о: н
:о. :: ••
с::о + ::-*с+:о:
•* :о: :: “
н о: н
Какие бы перестройки молекулярных архитектур
ни происходили, всегда валентные штрихи — как
прежние, так и новорожденные — подразумевают
пару взаимодействующих электронов. Формально по-
добные процессы можно рассматривать как обмен
электронными парами. И хотя мы приписываем
к уравнению реакции «плюс 112 килокалорий», совер-
шенно не ясно, каким образом этот энергетический
«довесок» может трансформироваться в энергию
мышц или мозга.
Иное дело одновалентный перенос. В нем участ-
вует только один электрон. Это слабый электрический
ток. И он не обязательно связан с разрушением атом-
ных построек. Вспомните хотя бы хлорофилл! Отда-
вая или присоединяя электроны поодиночке, его моле-
кула сохраняет свою индивидуальность и стабиль-
228
ность. Конечно, на промежуточных стадиях однова-
лентного переноса электрона мы встречаемся с клас-
сическими химическими реакциями. Например, когда
ТПН переходит в восстановленную форму ТПН—Н<
Или АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты.
Но как бы то ни было, процессы, которые изобра-
жаются символически в виде полукруглой стрелки,
направленной книзу, сводятся к странствиям одного
электрона. К падению его со ступеньки на ступеньку,
когда он отдельными порциями отдает свою энергию,
к слабому электрическому току.
Однако, сколь бы слабым ни был этот ток, он
возникает не только внутри молекулы. Между моле-
кулами тоже! Значит, можно все-таки решить глав-
ную проблему, которая стоит перед конструкторами
органических полупроводников: найти способ, как пе-
реправлять электрон от молекулы к молекуле. Выхо-
дит, не обязательно надставлять полимерные молеку-
лы новыми звеньями, пока они не достигнут гигант-
ских размеров? Не обязательно сшивать полимерные
цепочки? Но тогда совершенно необходимо разо-
браться в механизме межмолекулярного переноса
энергии и электронов. Каков же он, этот механизм?
Между двумя молекулами может установиться ре-
зонансная связь. Электронное возбуждение отдаленно
напоминает колебания маятника. Роль пружины игра-
ет электромагнитное поле. И существует определен-
ная вероятность, что энергия возбуждения может пе-
рекочевать от молекулы к молекуле. Для этого необ-
ходимо лишь, чтобы соседи более или менее тесно со-
прикасались. Но именно такой контакт и обеспечит
взаимное зацепление молекулярных колец, предложен-
ное Томсоном!
229
Правда, пока что речь шла о передаче энергии.
Скажем, энергии фотона. И только. Перебросить
электрон — совсем иное дело. Даже если он унесет
с собой возбудивший его кусочек света — фотон.
Переход электрона от одного вещества к другому
обычно считают реакцией окисления — восстановлен
ния. Однако квантовая химия отграничивает от них
одноэлектронный перенос заряда.
В органических соединениях электроны расквар-
тированы на ступеньках-орбитах попарно. И парами
же перебираются с квартиры на квартиру — с моле-
кулы на молекулу. Происходит химическая реакция.
А перенос заряда означает, что один из электронов
молекулы способен при удобном случае очутиться на
орбите соседней молекулы. Такой переход не влечет
за собой перестройку молекул.
1Так, выходит, межмолекулярный электрический
ток все-таки существует? Не таким ли путем
надо идти творцам полупроводниковых материа-
лов?
Безусловно, нужно, чтобы молекулы близко при-
швартовались друг к другу. И чтоб их электронные
облака перекрывались. Только в таком случае может
возникнуть межмолекулярный «блок», когда одно-
электронный донор связан с акцептором одного элек-
трона. «Комплексом с переносом заряда» назвали
его.
Причем опять-таки следует подчеркнуть, что здесь
донорно-акцепторное взаимодействие понимается со-
вершенно иначе, чем в классической теории комплек-
230
сообразования. Там имеется в виду передача неподе-
ленной пары электронов. У Сент-Дьердьи — одного
электрона.
Комплекс с переносом заряда — нечто среднее
между обычной молекулой и свободным радикалом,
И распадается он на два самых настоящих свободных
радикала, то есть на два «обломка», у каждого из ко-
торых по одному неспаренному электрону.
Представление о переносе заряда широко распахи-
вает двери в биологию перед идеями полупроводимо-
сти.
С другой стороны, исследуя внутриклеточные по-
лупроводники, ученые отыскивают пути к созданию
синтетических органических полупроводников. Уже
установлено, что пленки донорных молекул, нанесен-
ные на слои молекул-акцепторов, проявляют сильный
фотоэлектрический эффект!
Нет, не пропасть отделяет молекулы друг от дру-
га — ров. Но еще много придется поработать, прежде
чем удастся перекинуть мостик через этот ров, чтобы
создать единую энергоцентраль, которую инженеры
назовут органическим полупроводником. Потечет,
обязательно потечет электричество по гектарам по-
лимерных пленок, по волокнам нашей одежды, по за-
щитным покрытиям самолетов и ракет. Удивительный
ток, который уже сейчас питает своей энергией наши
чувства и мысли, любые движения нашего тела, на-
шей «души». Ток, порожденный улыбкой доброго ста-
рого Солнца. И этот ток, выполняющий в биосфере
любые работы, не способен лишь к одному — быть
выраженным в понятиях классической химии.
«Странствующий электрон относится к миру изме-
няющихся форм и распределений в электронных об-
231
лаках, которые принадлежат субмолекулярной
биологии, управляемой законами квантовой меха-
ники».
Так пишет в своем «Введении в субмолекулярную
биологию» Сент-Дьердьи. Глубокий старик, он с юно-
шеской увлеченностью доказывает, что применение
тяжелой математической артиллерии помогает биоло-
гам победоносно брать Бастилию за Бастилией. Био-
лог, воспитанный в традициях старой школы, он су-
мел на склоне лет отрешиться от классических пред-
ставлений и принять на вооружение новые идет
Пионер квантовой биологии, он отлично видит труд-
ности, которые подстерегают каждого, кто решит по-
следовать за ним в многотрудный, но увлекательный
поход.
1«...у входа в науку, как и у входа в ад, должно
быть выставлено требование:
«Здесь нужно, чтоб дуиш была тверда;
Здесь страх не должен подавать совета».
К. Маркс
Сент-Дьердьи говорит:
«Переходя к новой области, я всегда надеялся ов-
ладеть интересующим меня предметом. В случае кван-
товой механики я даже не надеюсь на это. Отсюда и
мои опасения... Должны ли биологи допускать, что-
бы их вытесняли из этого мира электронных явлений
только из-за того, что они не знакомы с тонкостями
квантовой механики? Сейчас число исследователей,
овладевших обеими науками — биологией и кванто-
вой механикой, очень мало. Учитывая ограниченные
возможности ума человека и ограниченную продол-
232
жительпость его жизни, можно думать, что это число
никогда и не будет очень большим. Каждая из этих
наук требует всего ума человека и всей его жизни.
Таким образом, по крайней мере в настоящее время
для развития науки необходима некая гибридизация
разных специальностей.
По моему мнению, во всяком случае сейчас, паи'
лучшее решение заключается не в превращении био-
логов в физиков и наоборот, а в их сотрудничестве.
Для этого не обязательно, чтобы биологи сами прони-
кали во все тонкости квантовой механики. Им доста-
точно найти общий язык с физиками и интуитивно
овладеть основными идеями и ограничениями кванто-
вой механики, чтобы быть в состоянии наметить для
физика проблемы и попять смысл его ответов. Точно
так же физику лучше оставаться на своей стороне
пропасти, чем превратиться в, быть может, второраз-
рядного биолога. Если, например, я как биолог инте-
ресуюсь энергетическими уровнями какого-нибудь ве-
щества и если мне говорят, что его наивысший уро-
вень характеризуется определенным значением коэф-
фициента /г, равным, скажем, 0,5, то я могу исходить
из этих данных. Мне достаточно знать, что означает
k, равное 0,5, и мне нет нужды точно знать, как было
получено это значение. В обмен я могу указать физи-
ку, для каких веществ вычисление коэффициента мо-
жет представлять особый интерес».
Коэффициент /г...
Ледяным бесстрастием веет от нескончаемой вязи
математических формул, которыми химики-квантови-
ки заполняют страницу за страницей, расчисляя мо-
лекулу с помощью абстрактнейшей из абстракций —
пси-функции Шредингера, Но странное дело: холод-
233
ные, мертвые коэффициенты, порожденные усилиями
человеческого мозга, пришли на помощь этому живо-
му, пульсирующему сгустку материи!
Мозг, Средоточие мыслей и чувств, породивших
все, что так дорого, и все, что так ненавистно чело-
вечеству. Святая святых физиологии. Сложнейшая и
таинственнейшая «машина», к которой каждая наука
пытается подобрать свой ключ. Кто бы мог подумать,
что и квантовая химия окажется в числе тех, кто
успешно штурмует эту крепость науки!
Царство изумительной гармонии и целесообраз-
ности, мозг иногда оказывается в плену хаоса и дез-
организации. Нет, речь идет не о механических по-
вреждениях этой чудесной «машины», заключенной
в нашей черепной коробке. Все клетки-реле на месте,
все коммуникации — кровеносные сосуды и нервные
нити — в порядке, а логический аппарат отказывает
в работе. Врач подписывает приговор: «психическое
заболевание».
Не так давно этот приговор был равносилен смерт-
ному. Душевный недуг означал интеллектуальную ги-
бель. И лишь в самые последние годы химия вручила
психиатрии надежные средства, которые излечили не
одного душевнобольного, возвратив его к активной
общественной жизни. Бурно развивается юная об-
ласть древней медицины — психофармакология, нау-
ка о веществах, влияющих на высшую нервную дея-
тельность. К сожалению, до сих пор поиск новых Ле-
карств зачастую идет вслепую, «методом проб и
ошибок». Вот почему центральным вопросом психо-
фармакологии остается механизм действия медика-
ментов на те или иные участки коры и подкорки.
Так-то оно так, но при чем тут квантовая химия?
234
Неужто прыжки электронов со ступеньки на ступень-
ку имеют какое-то значение для функции гигантской
машины, составленной из 15 миллиардов деталей-
клеток?
1Как интеграл принял участие в консилиуме
психиатров.
В свое время мы узнали, что длительное состояние
тоски или страха, беспричинное с точки зрения пси-
хиатра, вызвано прямой химической причиной: в кро-
ви повышается концентрация адреналина. Или его
ближайшего сородича серотонина. Антагонистом этих
веществ, нагоняющих страх, является аминазин (хлор-
промазин). Он помогает и психически нормальным
людям.
Трудно не волноваться перед хирургической опе-
рацией. Даже те, кто не из пугливого десятка, боятся
металлического звона инструментов. А те, кому был
введен аминазин, спокойны и не испытывают страха.
И вот выяснилось, что химизм действия препара-
тов находится в прямой зависимости от величины,
высчитываемой математически и сухо именуемой
«коэффициентом k». Этот показатель характеризует
энергию связи электрона с молекулой.
Для вычисления энергетических уровней молекул
обычно прибегают к двум квантово-механическим
приемам. Один из них уже упоминался — это метод
валентных схем. Именно его применили впервые
Гейтлер и Лондон для расчета молекулы водорода.
Метод предполагает, что любую молекулу можно
мысленно разбить на ряд двухцентровых двухэлек-
235
тронных связей. Несколько иная посылка лежит в ос-
нове метода молекулярных орбит. Там отвергается
утверждение, что электрон находится у определенного
атома. Напротив, химическая связь считается резуль-
татом движения электронов в суммарном поле, соз-
данном всеми электронами и всеми ядрами. Электрон
как бы размазан по всей «молекулярной орбите».
Понятно, почему метод молекулярных орбит оказался
особенно эффективным для расчета систем сопряжен-
ных связей, которые играют первостепенную роль
в органической химии и биологии.
Энергия какой-либо орбиты Е равна а + &£. Здесь
а — кулоновский интеграл, £ — обменный интеграл.
Первый выражает энергию электростатического взаи-
модействия электронов между собой и с ядрами. Вто-
рой — энергию обменного взаимодействия. Для ве-
ществ, близких по химической природе, значения а и
Р почти одинаковы. Следовательно, энергия зависит
главным образом от величины k. Коэффициент k рас-
считывается для двух видов молекулярных орбит —
связывающей и разрыхляющей.
Когда образуется молекула, энергия электронов
в основном состоянии оказывается меньше, чем сум-
ма прежних энергий электронов в индивидуальных
атомах (расщепление уровней!). Потому-то и выде-
ляется тепло при объединении двух атомов Н в мо-
лекулу Н2. Но если электроны переходят в возбужден-
ное состояние, они подпрыгивают с основной («связы-
вающей») орбиты на более высокую «разрыхляю-
щую». Так она называется оттого, что заполнение ее
электронами в результате активации молекулы при-
водит к «разрыхлению» валентной связи и распаду
молекулы на атомы. Энергия разрыхляющей молеку-
236
лярной орбиты больше, чем у исходных атомных
орбит.
Главное—запомнить: удалить электрон со связы-
вающей орбиты тем легче, чем меньше коэффициент Л.
Стало быть, тем'лучшим донором электронов являет-
ся молекула. Например, для одного из электронных
посредников днфосфоппрндинпуклеотнда ДПН— Н
k — 0,298. Это очень хороший донор.А у ДПН1*4i
£=1,032. Значит, донор из него никудышный.
Равным образом, чем меньше коэффициент k для
разрыхляющей орбиты, тем легче молекула присое-
диняет чужие электроны. Тем лучше из нее акцептор
электронов. У ДПН ь в этом случае k — 0,356. Очень
хороший акцептор! А для ДПН — Н £ = 1,032. Акцеп-
тор из рук вон плохой. А наши антагонисты — амина-
зин и серотонин? У первого для связывающей орби-
ты k меньше нуля. Значит, это успокаивающее сред-*
ство оказывается исключительно щедрым донором.
Зато акцептор из него скверный (£=!). У серото-
нина же наоборот — способность принимать чужие
электроны выражена ярче (k = 0,87). А отдавать
свои — э, нет, здесь серотонин «жаднеем.
Если целебное действие успокаивающих средств
связано с их способностью отдавать электроны, то
квантово-механический расчет позволит выявить и
более могущественные лекарства! Если введение до-
норов смягчает симптомы шизофрении, то, быть мо-
жет, именно недостаток электронов вызывает этот тя-
желый психический недуг? Тогда возникает новый
вопрос: чем объяснить недостаток электронов? Не при-
сутствием ли в крови акцепторов? А раз так, то на
любой акцептор можно найти управу в виде соответ-
ствующего донора!
I Автор приносит глубочайшие извинения за длин-
ные-предлинные цитаты. Но, право, лучше не
скажешь!
«Я не предлагаю здесь новую теорию шизофре-
нии, — скромно заключает Сент-Дьердьи. — Я пы-
таюсь лишь показать, что квантовая механика может
подсказать новые подходы к важным проблемам, ко-
торые уж так давно зашли в тупик». Да, действитель-
но: дистанция между абстрактными математическими
расчетами и постелью больного не столь уж велика!
Свою книгу «Введение в субмолекулярную биоло-
гию» автор считает последней. И, словно передавая
эстафету новым поколениям, престарелый мэтр кван-
тово-механической биологии обращается к читателю
с завещанием:
«Я хотел бы сделать только одно предостережение
биологам, которые отваживаются вступать в область
физических проблем. Между физикой и биологией
238
есть существенное различие. Физика — это наука
о вероятностях. Если какой-либо процесс 999 раз
происходит одним путем и только 1 раз другим, то
физик, не колеблясь, скажет, чго первый путь и есть
истинный. Биолог.йй — это наука о невероятном, и
я думаю, что в принципе для организма существенны
только статистически невероятные реакции. Таким
образом, в живом организме становятся возможными
реакции, которые кажутся физику невозможными
или, во всяком случае, невероятными. Когда была
вскрыта гробница Тутанхамона, оказалось, что за
3000 лет его завтрак не окислился. Такова физическая
вероятность. Но если бы фараон воскрес и сам съел
свой завтрак, то последний сгорел бы очень быстро.
Такова биологическая вероятность. Сам фараон дол-
жен был бы представлять собой очень сложную и
высокоорганизованную структуру ядер и электронов,
статистическая вероятность которой близка к нулю.
Я не хочу этим сказать, что биологические реакции
не подчиняются законам физики. В конечном счете
объяснить их должна именно физика, но только околь-
ным путем, который на первый взгляд может пока-
заться совершенно неправдоподобным.
Все это делает взаимоотношения физиков и биоло-
гов очень сложными. Биолог зависит от суждения фи-
зиков, но вместе с тем он должен быть очень осторо-
жен, когда ему говорят, что то или иное событие или
явление невероятно. Если бы я всегда соглашался
с вердиктом физиков, то мне пришлось бы бросить
это направление моих исследований. Я счастлив, что
не сделал этого».
Через все научное творчество Сент-Дьердьи крас-
ной нитью проходит мысль: не стоит смущаться 01йиб-
239
ками и неудачами при реше-
нии больших задач. Автор сам
так выразил ее в шутливой
форме: «Когда я переехал
в Вудс-Холл и начал ходить
на рыбалку, я всегда носил
с собой огромный крючок.
Я знал, что все равно ничего
не поймаю, но ведь приятнее
не поймать большую рыбу, чем
маленькую».
Неизведанное — малона-
дежная почва. И тому, кто на
нее вступает, дано утешаться
лишь надеждой, что его ошиб-
ки окажутся почетными.
Бесстрашие в научных дер-
заниях, свежесть взгляда вопреки культу традицион-
ных представлений — вот к чему зовет Сент-Дьердьи.
Этого не занимать нашей молодежи.
В декабре 1961 года — за три года до выхода
в свет книжки Сент-Дьердьи — в Тбилиси проходил
союзный симпозиухм по кибернетике. Всеобщее вни-
мание привлекла работа молодых ученых из Инсти-
тута кибернетики Академии наук Грузии. Вот что
было доложено младшим научным сотрудником ин-
ститута Квинихидзе и кандидатом физико-математи-
ческих наук Чавчанидзе.
Математическая модель клетки... Ее еще нет у био-
логов. Даже такой, которая напоминала хотя бы пла-
нетарную модель атома, предложенную Резерфордом.
Не говоря уже о квантово-механической модели.
А она нужна. Без нее очень трудно ответить на ты-
240
сячи вопросов, встающих перед биологами. Как рабо-
тают клетка и ее отдельные цехи? Каков тот заводной
механизм, что автоматически регулирует смену циклов
ее жизнедеятельности? Что делает этот крошечный
организм устойчивым в его непрерывном изменении?
Откуда в нем та строгая, поистине воинская дисцип-
лина, которой подчиняются сложнейшие процессы
синтеза молекул, деления и передачи наследственной
‘информации?
Живая клетка — самоуправляющаяся система.
В этом смысле она подобна человеческому организму.
Однако механизм управления в ней иной. Здесь нет
нервных путей, по которым бегут импульсы-сигналы.
На уровне клетки роль сигнальных «агентов» играют
подвижные группы атомов и молекул.
Регулирование процессов обусловлено динамиче-
ским равновесием разных сил, действующих на вну-
триклеточные структуры. Именно уравновешивание
противоборствующих сил, почти как в молекуле водо-
рода, сохраняет систему устойчивой.
Эта общая идея ,и легла в основу первой клеточ-
ной модели, разработанной сотрудниками Института
кибернетики.
Описываемая модель не имеет прямого отноше-
ния к квантовой биологии. Тем не менее перед
нами еще один пример плодотворного сотрудни-
чества биологов и математиков.
Модель напоминала куриное яйцо. Внутри —
ядро. Это «желток». И, как желток, ядро охвачено
16 Л. Бобров
241
оболочкой. Сверху «белок», тоже обтянутый пленкой.
Среда, окружающая клетку, пока не учитывалась.
Принималось, что внутри ядра вещество Имеет одну
вязкость, снаружи — иную. И что внутри клетки на-
ходятся положительные и отрицательные ионы, сво-
бодно проникающие через оболочку ядра в обе сто-
роны — внутрь и наружу.
«По правде говоря, — признавались тогда авто-
ры, — сейчас еще нельзя определенно указать, какие
структуры реальной клетки имеют электрический за-
ряд. По некоторым новейшим данным, заряженные
частицы внутри клетки существуют. Более подробно
об этом говорить пока невозможно. В дальнейшем
совместные усилия физиков, биологов и кибернетиков,
несомненно, позволят выяснить, какова роль зарядов
внутри клетки».
Роль зарядов внутри клетки... Уже в те дни интуи-
ция вела грузинских ученых к выводам, которые с та-
ким блеском и с такой глубиной формулирует ветеран
квантовой биологии Сент-Дьердьи! В самом деле:
донорно-акцепторная связь в комплексах с переносом
заряда — разве это не взаимодействие «заряженных
частиц»?
Чтобы не усложнять чересчур математические рас-
четы, авторы ввели в модель всего десять пар разно-
именных ионов. Ввели по методу Монте-Карло.
(Рулетка знаменитого казино увековечила себя в на-
звании математического приема, когда приходится
прибегать к розыгрышу, чтобы отыскать случайное
распределение отдельных элементов в системе.) И, как
бы случайно ни располагались ионы, в любом случае
«центры тяжести» положительной и отрицательной
групп зарядов не совпадали. Иными словами, система
242
являла собой своего рода диполь. Естественно, что
«полюса» стремились сблизиться. Но им мешало про-
тиводействие беспорядочного теплового движения
ионов. Кроме того, в игру вступала тормозящая сила
вязкой внутриклеточной среды.
Вся эта предельно упрощенная и тем не менее
сложная картина взаимодействий описывалась мате-
матическими уравнениями. Решение их должно было
показать, будет ли существовать такая система сама
по себе, без всякой программы, без внешнего регуля-
тора, а лишь за счет внутренних сил?
И вот модель запущена. Что-то она покажет?
Тепло разгоняет частицы в стороны, в беспорядке
перемешивает их. Случайные встречи одноименных
ионов заканчиваются довольно грубым взаимным от-
талкиванием, разноименных — дружескими объятия-
16*
243
ми. Казалось бы, восторжествовала полная анархия,
Ан нет, в определенный момент направленные силы
кулоновского тяготения между полюсами увеличи-
ваются, движение вновь течет по некоему жизненному
руслу. И не было случая, чтобы систему настигла
«смерть» — чтобы клеточный «диполь» исчез, обра-
тился в нуль, динамическое равновесие сменилось ста-
тическим.
Драматический конфликт между силами порядка
и хаоса, дезорганизации и дисциплины — таково
«жизненное содержание» первой клеточной модели.
Разумеется, модель грузинских математиков от-
дает классицизмом биологии XIX века. Шарики-заря-
ды, кулоновские силы, броуновское движение — как
далеко ушли от этого представления квантовой био-
логии! Активирующие кванты, уровни энергии, зоны
проводимости, перенос заряда, слабые токи — до это-
го еще не дошел черед. Но, как говорится, лиха бе-
да — начало. Пусть модель проста, быть может, да-
же примитивна — какие математические расчеты
сложных систем не грешат упрощенчеством? Пусть
она далека от реальности, быть может, даже наив-
на — разве модель Резерфорда, величайшее откро-
вение своего времени, не оказалась впоследствии лишь
грубо сработанным и вдобавок кривым зеркалом ми-
кромира?
Самое примечательное или, лучше сказать, симпто-
матичное — в другом. Проснулся обоюдный интерес
у математиков и биологов. Биологи начинают убеж-
даться, что без помощи физиков и химиков, без числа
и меры им ни шагу ступить в неизведанное. А пред-
ставители точных наук, со своей стороны, готовы при-
звать на подмогу всю мощь современного математи-
244
ческого аппарата, чтобы проникнуть в самые сокро-
венные тайны молекулы, кристалла, клетки.
(Гнеденко: «Я убежден, что некоторое недопони-
мание между биологами и математиками про-
истекает в значительной степени оттого, что мы
работаем разобщенно».
Вот что пишет известный советский математик
член-корреспондент АН СССР Борис Владимирович
'Гнеденко: «Я не считаю, что уже имеется необходи-
мость создавать особую дисциплину «математическая
биология» наподобие «математической физики».
Но для меня нет сомнений в том, что назрела пора,
когда коллективы математиков и биологов должны
начать совместную работу над разрешением корен-
ных биологических проблем — работу, в которой ма-
тематик станет вникать в суть биологических явлений,
а биолог — в идейные, а не чисто вычислительные
возможности математических методов».
Проникнуть в тайны микромира, чтобы еще лучше
сделать жизнь человека. И это не просто красивые
слова. Вспомните энергетику и медицину!
Впрочем, только ли медицине сулит богатые пло-
ды великий триумвират наук — математики, физики
и химии? Только ли перед энергетикой распахивает
он неохватные горизонты?
Ну, конечно же, нет! Теория цветности и химия
красителей. Лазеры, в том числе полупроводниковые.
Тайны мельчайших кирпичиков мироздания — эле-
ментарных частиц. Не сыскать такой области, где бы
245
квантовая механика пришлась не ко двору. Но нель-
зя объять необъятного: обо всем не расскажешь.
Увы, в органической химии, и особенно в биохимии,
все еще царит культ лукрецианских представлений,
хотя в наше время стало просто невозможно игнори-
ровать квантово-механическую природу явлений. Ибо
с ней мы имеем дело на каждом шагу, подчас и не
подозревая об этом. Зачем же уподобляться молье-
ровскому господину Журдэну, который был несказан-
но изумлен, узнав, что всю свою жизнь изъяснялся
прозой? Нашей ли научной молодежи чураться новых
прогрессивных веяний только из-за того, что они, как
кажется некоторым близоруким практицистам, «че-
ресчур далеки от жизни»?
Как тут не вспомнить замечательные слова акаде-
мика Семенова!
«В сущности, — говорил ученый, — в современ-
ном естествознании выделяются две главные фунда-
ментальные проблемы. Первая — в физике — теория
элементарных частиц, иначе говоря, проблема первич-
ных частиц материи. Вторая касается строения и по-
ведения высокоорганизованной материи в биологии и
химии.
10—15 лет назад до биологии дошла с запозданием
на полвека революция, зародившаяся в начале XX ве-
ка в физике и частично в‘ химии. Биологи вкупе с фи-
зиками и химиками начали проникать во внутренние
физико-химические основы удивительных явлений
жизни. За 15 лет уже получены интереснейшие науч-
ные результаты, причем темпы работ непрерывно на-
растают. Как в свое время при изучении строения
атома, эти крупнейшие научные достижения не имеют
сейчас и, быть может, не будут иметь еще некоторое
246
время серьезных практических результатов. Но нет
сомнения, что рано или поздно они приведут к рево-
люционным сдвигам в медицине и отчасти в сельском
хозяйстве. Так, например, я уверен, что проблема ле-
чения рака может быть решена лишь на основе раз-
вития этого направления биологии. Я уверен, что ра-
боты по выяснению механизма физико-химических
процессов в жизнедеятельности приведут также к под-
линной революции в химии».
Это ли не отповедь тем, кто любую попытку углу-
биться в теорию аттестует как «отрыв от жизни, от
практики»?
«Теория наиболее практична. Она — квинтэссен-
ция опыта». Эти слова Людвига Больцмана как нель-
зя лучше характеризуют квантовую химию,
(Тысячи вопросов. Сотни загадок. Они не дают
спокойно спать биологу и химику. Но если бы
не было все новых проблем, значит наука оста-
новилась бы в своем развитии!
...Почему из кедровой шишки пе вырастает бао-
баб? Отчего у кошки всегда рождаются котята, а пе
тигрята, у собаки — щенята, а не волчата? Где ге
сокровенные пружины, которые управляют наслед-
ственностью?
Вопросы могут показаться сугубо теоретическими.
Но так ли уж они оторваны от практики? Выведение
высокоурожайных сортов растений, высокопродуктив-
ных пород домашнего скота, даже, быть может, ле-
чение раковых опухолей — все упирается в природу
наследственности. Недавние исследования в этой оо-
247
ласти привели к расшифровке «генетического кода»,
в соответствии с которым строятся белковые молеку-
лы. Но еще не все детали процесса, называемого пе-
реносом генетической информации, выяснены учены-
ми. И чем глубже теоретический поиск, тем богаче
практические плоды его.
Каким образом действуют лекарства на больной
организм? Какова роль ничтожных добавок элемен-
тов к пищевому рациону человека, домашних живот-
ных и культурных растений? Какова химическая тех-
нология процессов жизнедеятельности?
Исследование химизма явлений внутри живой
клетки — верный путь к здоровью, долголетию, изо-
билию.
И не будь квантовой химии, насколько затормо-
зился бы прогресс биологии, медицины и сельского
хозяйства!
С другой стороны, проникновение в физпко-хпмия
ческие принципы живой природы — это путь к совер-
шенствованию химической технологии.
Получение азотных удобрений — сложный произ-
водственный процесс, где не обойтись без высоких
давлений и температур. А клубеньковые бактерии
легко усваивают азот из воздуха даже в холодную
погоду и при любых показаниях барометра. Вот что
значит ферменты! Поразительна их активность и из-
бирательность. Микроскопичны дозы этих живых ка-
тализаторов, но колоссально количество «сырья»,
которое они способны переработать.
Разобравшись в механизме действия ферментов,
ученые создадут эффективные катализаторы, которые
избавят производство от трудоемких, дорогостоящих
и далеко не безопасных химических процедур.
248
Управлять составом и пространственной структу-
рой синтезируемых полимеров — это по собственному
усмотрению придавать пластикам электропроводность,
прочность, жаростойкость. Самое тонкое регулирова-
ние вполне осуществимо с помощью так называемых
стереоспецифических катализаторов. Именно такие
процессы и вещества создают сложнейшие внутрикле-
точные постройки. Изучение их принесет переворот
в технологию полимеров.
Теоретические и практические успехи каталитиче-
ской химии не оставляют сомнения в том, что созда-
ние подобных веществ вполне реально. Конечно, вов-
се не обязательно копировать до тонкостей ферменты.
Уже сегодня удается моделировать их устройство и
принципы действия с хорошей степенью близости
к реальным явлениям. Так, недавно открыты комп-
лексные катализаторы процессов полимеризации.
Они чем-то напоминают ферменты. Во всяком случае,
с их помощью можно проводить синтез этилена, про-
пилена и других мономеров при атмосферном давле-
нии и комнатной температуре. А ведь раньше это ка-
залось несбыточной мечтой!
Созданы катализаторы, содержащие ванадий, ко-
торые похожи своей изумительной производительно-
стью па микроэлементы. Каждый грамм ванадия по-
зволяет получить до тонны полимера.
Мышца. Замечательный аппарат, способный пре-
вращать химическую энергию непосредственно в ме-
ханическую работу с кпд втрое большим, чем у па-
ровых машин. Маршрут обходится без пересадок: без
паровых котлов, турбин и электромоторов. Подобные
движители внесут революционные изменения в техни-
ку. Полимерные мускулы неузнаваемо изменят облик
249
теперешних машин: экскаваторов, лебедок, блоков.
Вместо колес появятся ноги-рычаги, шагающие через
ухабы и ползающие по дну моря. Самолеты еще боль-
ше будут походить на птиц, обзаведясь машущими
крыльями вместо неподвижно распластанных в возду-
хе. И все это без электромоторов и двигателей вну-
треннего сгорания!
Мышечный белок миозин — высокомолекулярное
соединение, сотворение которого покамест является
монопольной прерогативой живого организма. Но уже
созданы первые полимерные ленточки — аналоги этой
чудесной могучей ниточки. Они сокращаются при из-
менении кислотности среды. Этот эксперимент, по-
ставленный в лаборатории советского академика
Владимира Александровича Энгельгардта, открывает
перед конструкторами совершенно новые перспек-
тивы.
Мозг. Это не просто грандиозное скопление кле-
ток, хитросплетение нервных волокон и кровеносных
сосудов. Это уникальное счетно-решающее и логиче-
ское устройство, состоящее из 15 миллиардов ячеек.
Но оно весит всего около полутора килограммов.
Потребляемая им мощность такая же, как и у не-
большой электрической лампочки. Ему нужно всего
5 граммов глюкозы и около 3 литров кислорода еже-
часно. Таких машин еще не создали человеческие ру-
ки. Мозг до сих пор остается клубком неразгаданных
тайн. Но этот клубок уже начали распутывать уче-
ные — ниточку за ниточкой, методично, скрупулезно.
И здесь на помощь физиологам пришла квантовая
биология и кибернетика.
Так в тесном взаимодействии, бок о бок, с обоюд-
ной заинтересованностью ведут ученые нелегкий поиск
250
на стыках наук. Лучше понять друг друга им помо-
гает математика. И прежде всего могучий аппарат
квантовой механики.
Еще не скоро появятся белково-электронные робо-
ты, повторяющие (а может, и превосходящие?) функ-
ции мозга со всей их эффективностью. Но уже сегод-
ня вторжение счетной техники в сферу умственной
деятельности изменяет облик химических лаборато-
рий. Оказалось, что в принципе можно в некоторых
случаях обойтись без традиционного инструмента хи-
мических исследований — колбы. Даже без самих
реагирующих веществ. Как это делается, вы прочи-
таете в следующей главе.
Квантовая химия продолжает наступление на твер-
дыни природы. Трудности — где их нет? — не сму-
щают ученых. Настанет день, и лабораторный слож-
нейший эксперимент будет сначала проводиться не
в колбе, а на бумаге. На смену интуиции и эмпирике
всюду придет точный расчет. Квантовая химия будет
не просто проверять и поправлять экспериментаторов,
она сама станет мощным орудием химического синте-
за. Материалы с невиданными свойствами будут
конструироваться с помощью чертежей и математиче-
ских уравнений.
Этот день не за горами. Ибо все шире фронт ра-
бот на стыках наук. Все дальнобойней дерзкие рывки
научной мысли. Все теснее смычка теории с прак-
тикой.
Наука у нас становится непосредственной произво-
дительной силой общества, сказано в Программе
КПСС. Именно такой наукой становится квантовая
химия и биология.
„...Где дышит интеграл"
Случилось непредвиденное.
Поначалу все шло гладко. Серебристый лайнер
«ТУ-104» «Москва — Новосибирск» в полном согла-
сии с расписанием вырулил на длинное полотно
стартовой дорожки. Изредка похлопывая себя по кар-
ману, где лежало командировочное удостоверение
в Сибирское отделение академии, я мысленно состав-
лял план визитов на весь остаток дня.
253
Сразу же по прибытии — в Институт математики.
Мое паломничество в Академгородок, давно уже
ставший Меккой для журналистов, было связано
с вполне определенными намерениями. Еще задолго
до своего вояжа я прочитал прекрасную статью в «Ли-
тературной газете»; написанную пером увлеченного
человека. Она называлась «Поэзия математики».
Ее автор — академик Сергей Львович Соболев, ди-
ректор Института математики Сибирского отделения
АН СССР. Того, что на весь мир прославился рас-
шифровкой рукописей древних майя.
Любопытный штрих: Валентин Алексеевич Усти-
нов, один из главных «отгадчиков» знаменитых «сте-
нограмм», — по образованию вовсе не математик.
Историк. Но его сноровке в обращении с электронно-
вычислительными машинами позавидует любой за-
правский математик. Когда новосибирский Шампо-
лион защищал диссертацию, разгорелись споры, ка-
кую кандидатскую степень присудить Валентину
Алексеевичу: исторических наук или физико-матема-
тических?
1Как стушевываются в наше время пограничные
линии между разными областями знаний!
Но в статье Соболева меня заинтересовало дру-
гое. «Известно, — писал Сергей Львович, — какое
значение имеет при современном состоянии химии так
называемый рентгеноструктурный анализ. Еще недав-
но для расшифровки какой-либо структуры мог тре-
боваться целый год. Сначала в Москве, а затем и
254
в Новосибирске были сделаны попытки применить для
этой цели электронно-вычислительную технику. Маши-
на, способная «перепробовать» за короткое время все
возможные комбинации атомов, неизмеримо ускоряет
процесс исследования. В пашем институте группой
сотрудников под руководством кандидата физико-
математических наук В. И. Бурдиной разработана
совместно с химиками система программ для анализа
так называемых двухмерных структур, разрабатывает-
ся аналогичная система для структур, более слож-
ных — трехмерных».
Совместно с химиками... С тех пор призрак
Монжа-Бертолле неотступно стоял у меня перед гла-
зами.
Помнится, правда, что обостренный интерес к Со-
болевской статье был отнюдь не случаен. Его подо-
грело предварительное знакомство с работами преем-
ников курнаковского наследия.
На бойком месте, под боком у широкой московской
магистрали — Ленинского проспекта, — примости-
лось неказистое с виду, серое двухэтажное здание.
Это ИОНХ — Институт общей и неорганической хи-
мии Академии наук. Удивительный мир, где говорят
на языке топологической химии. Недаром он носит
имя своего прежнего руководителя, ныне покойного
академика Курнакова. Именно здесь, посреди неболь-
шого дворика, ненадежно забаррикадировавшегося от
уличной сутолоки чугунной оградой да редкими ку-
стиками зелени, произошла встреча, побудившая ме-
ня заинтересоваться судьбой Николая Семеновича
Курнакова и его идеи — создания математического
языка химии.
Тогда я работал в Институте физической химии
255
Академии наук. ИФХАН (так сокращенно .именовался
наш институт) образовывал одно целое с ИОНХом,
разве что в месте сочленения зданий зияла квадрат-
ная подворотня, сквозь которую каждое утро устрем-
лялся торопливый поток людей: они спешили напере-
рез нам в ИНЭОС (Институт элементоорганических
соединений) и другие институты, расположенные на
задворках нераздельно слившихся ИФХАНа и
ИОНХа. Тут-то я и натолкнулся на своего приятеля,
который закончил механико-математический факуль-
тет МГУ еще в ту пору, когда я сам был студентом-
химиком.
— Я теперь в аспирантуре ИНЭОСа, — сообщил
он, к немалому моему изумлению. — Й не я один.
Там у нас целая группа математиков, все химией за-
нимаются. Впрочем, не только у нас и не только
в Москве. В Новосибирске, например, много интерес-
ного. Ну, пока...
И мой Монж нырнул в’подворотню.
Шутки шутками, а встреча заставила меня приза-
думаться. Математика в химии... Что ж, пожалуй,
здесь действительно нет ничего удивительного. Не толь-
ко в ИОНХе, но и в Институте физической химии
работают математики. А в пяти минутах езды —
Институт химической физики, — сколько там студен-
тов мехмата МГУ делает свои дипломы! Того и гля-
ди появится где-нибудь Институт математической
химии!
I Математическая химия... А почему бы и нет?
I Разве не настала пора для становления и само-
I стоятельного развития новой науки?
256
Ведь недаром же говорят, что на ниве знаний под-
час наиболее плодородны именно межи: вспомнить
•хотя бы математическую лингвистику, математиче-
скую геологию, математическую экономику.
Мелодичный, но властный голос стюардессы пре-
рвал полудремотные грезы пассажиров: «Самолет
идет на посадку. Наденьте привязные ремни!» Все, как
один, разом посмотрели на циферблаты часов. В чем
дело? Если верить расписанию, еще не время для
посадки! Уж не случилось ли чего-нибудь?
Так оно и есть. Одной из пассажирок плохо. Сер-
дечный приступ. Ни аварийная химия бортовой ап-
течки, ни участливые советы воздушных эскулапов
помочь не в силах. Расписание расписанием, а здо-
ровье человека превыше всего. С сердцем шутки пло-
хи. И пилот ведет машину в ближайший аэропорт,
где пострадавшую уже ждет карета «Скорой помо-
щи», вызванная по радио.
Этот грустный эпизод невольно вспомнился мне
потом, уже в Академгородке. Вовсе не потому, что
опоздание самолета перепутало все мои карты: день
был субботний и учреждения пустели раньше, чем
обычно. Нет, повод оказался совсем иным.
Хотя стрелки давно уже перевалили за урочный
час, когда кончаются всякие приемы, вахтер без-
ропотно пропустил меня в Институт математики.
Наверное, так уж повелось, что здесь даже по суббо-
там сотрудников не выдворишь из лабораторий.
Почему, я понял в тот же день.
Сказать правду, никакой это был не институт
в традиционном смысле слова, а самый что ни на есть
заурядный жилой дом. Напротив отнюдь не парадно-
го подъезда (вход был со двора) прямо под сенью
17 Л. Бобров
257
таблички с внушительной надписью «Институт...»
годовалые «старожилы» существующего без году не-
делю Академгородка (стоило детской коляске чу-
точку притормозить) оглашали воздух пронзительным
ревом. А все потому, что молодой папа-физик, загля-
девшись, должно быть, в книгу с формулами косми-
ческих скоростей и запамятовав лирическую гоголев-
скую строку: «И какой же русский не любит быстрой
езды», — перестал вовремя подталкивать и без того
тихоходный кабриолет...
Стройка институтского здания вот-вот должна бы-
ла завершиться, а пока лаборатории временно раз-
мещались в гостиных, спальнях, даже, помнится, на
кухне. Однако не успел я подумать про себя: «Не
красна изба углами...», — как меня не то в кухне, не
то в гостиной вместо пирогов встретили... углы. Ост-
рые, тупые, прямые, они смотрели с многочисленных
диаграмм и графиков, которые разложили передо
мной молодые ребята, сотрудники Лаборатории задач
химии и физики.
258
В путешествии по институтским закоулкам, по ла-
биринтам графиков, по маршрутам своих планов
меня сопровождал молодой математик Виктор Куд-
рин.
Математический анализ применительно к структу-
рам химических веществ. Квантово-механические рас-
четы электронных состояний на поверхности кристал-
лов. Оптимизация технологических процессов в хими-
ческом производстве. Проектирование контактных
аппаратов с помощью электронных машин. Абстракт-
ные на первый взгляд, но на деле очень важные для
науки и техники проблемы на стыке химии и ма-
тематики.
Лаборатория химических проблем в математиче-
ском институте... Если бы все это видел Николай Се-
менович Курнаков! Он бы не нарадовался, глядя на
племя современных Монжей, у которых свежесть
взгляда и непредвзятость мышления, этот бесценный
дар невозвратной юности, соперничает с деловитой
уверенностью профессионалов, имеющих за плечами
опыт и мудрость великих предшественников. А ря-
дом, в четверти часа ходьбы по асфальтированной
дорожке, вьющейся между стволами сибирских сосен,
уже вздымались современные корпуса химических
институтов, где — хотите верьте, хотите нет — я соб-
ственными глазами увидел молодых Бертолле, несу-
щих курнаковскую эстафету. И вот что примечатель-
но: даже привычному уху трудно отличить по манере
разговаривать математиков, работающих в области
химии, от химиков, работающих в области матема-
тики, — настолько общий у них язык, настолько креп-
ко поднаторели они в методах и терминологии обеих
наук.
17 *
259
До поры до времени «дела пробирные» обходились
карандашом и клочком бумаги. Так было в эпоху
Бертолле, так случалось и во времена Курнакова.
А нынче химики запанибрата с мощной электронно-
счетной техникой: не тот век, чтобы кичиться убоже-
ством стародедовских способов, прикрываясь флагом
традиционной скромности химиков в выборе техниче-
ских средств.
Когда мы произносим слова «большая химия», пе-
ред глазами встают многозначные цифры планов,
многошумные новостройки в «огнях и звонах», много-
этажные и многотрубные гиганты индустрии. Между
тем история любого химического завода с его гро-
хочущими машинами и клокочущими котлами начи-
нается в тиши исследовательской лаборатории.
Да, большая химия начинается с маленькой пробир-
ки. Пробирка, над которой колдует эксперимента-
тор, — это заводской аппарат в миниатюре. Именно
здесь, в едва слышном бульканье реакционной смеси,
чуткому уху слышится могучий ритм шумного и жар-
кого дыхания воздуходувок, печей, колонн, скруббе-
ров, газгольдеров, труб, где непрерывно перемещают-
ся многотонные массы жидкостей, многокубовые
объемы газов.
Не только в химии крупномасштабному воплоще-
нию инженерного замысла предшествуют опыты с
крошечными моделями. Сколько наблюдений над иг-
рушечной копией «ТУ-104» было проделано в аэроди-
намических трубах, прежде чем дюзы могучего испо-
лина огласили аэродромы зычным уверенным гулом!
1Как же конструкторы переходят от одних мас-
штабов к другим?
260
Чтобы превратить лилипута в Гулливера, обычно
используется теория подобия. Результаты эксперимент
тов с карликовой моделью пересчитывают по опреде-
ленным уравнениям для всамделишного гиганта.
Это очень эффективный метод, давно и хорошо заре-
комендовавший себя в авиации, гидравлике, теплотех-
нике.
Увы, не в химии! Здесь при переходе к другим
масштабам характер процессов, как правило, изме-
няется. Но отчего? Разве синтез того же аммиака
в заводском аппарате описывается другим уравне-
нием, нежели в лабораторной установке? Нет, п сте-
хиометрия и характер равновесия остаются теми же
самыми. Тогда, может статься, дают о себе знать
какие-нибудь неучтенные тонкости процесса?
Что ж, давайте разберемся во всем по порядку.
Огонь, порождающий своего заклятого недруга —
воду. Такому мог удивиться разве что Генри Кавен-
диш, который впервые наблюдал горение водорода
в кислороде. А сегодня любой школьник запросто на-
пишет незамысловатую реакцию: 2Н24-О2=2Н2О.
Простенькое уравнение, не так ли? Два объема водо-
рода, один кислорода, и в итоге — два объема водя-
ных паров. Берешь два исходных вещества, полу-
чаешь один конечный продукт.
Уравнение одно, но почему такие странные разли-
чия? В опытах Кавендиша над трубкой, из которой
выходил водород, теплился едва заметный язычок
пламени. Зато, если взять те же количества водорода
и кислорода, но тщательно перемешать, получится
гремучий газ. Если его поджечь, он взорвется.
Масштаб один — эффекты разные.
В годы первой мировой войны немецкое командо-
261
вание для бомбардировки Лондона и Парижа по-
строило 123 дирижабля. Из них 40 было уничтожено
противником. Стоило зажигательному снаряду угодить
в оболочку воздушного пирата, как цеппелин, мгно-
венно вспыхнув, исчезал в огне и дыме. Оно и по-
нятно: дирижабли заполнялись водородом. Небесное
«аутодафе» не всегда* сопровождалось взрывом: обо-
лочка препятствовала перемешиванию водорода
с воздухом. И, как в опыте Кавендиша, водород вос-
пламенялся, но не взрывался.
Масштабы разные — эффект один.
При комнатной температуре гремучая смесь —
в маленьком ли баллончике, в громадном ли резер-
вуаре — сохраняет спокойствие. Даже при нагрева-
нии до 300 градусов скорость реакции неизмеримо
мала. Однако при переходе за черту в 600 градусов
(температура тлеющего уголька) взаимодействие про-
текает мгновенно. Смесь взрывается.
Описанные примеры помогут нам сделать кое-
какие выводы. Если условия одинаковы, то скорость
процесса почти не зависит от его масштабов. И еще:
на скорость химического процесса сильно влияет теп-
ло. Опытным путем установлено приближенное пра-
вило: нагревание на 10 градусов ускоряет ход реак-
ции в два-четыре раза. Так что если у вас повышен-
ная температура, лекарства будут помогать вам
скорее.
Однако непонятно другое. Стоит внести в огром-
ный объем горючей смеси даже тлеющий окурок, как
из искры возгорится пламя. Почему? Каким образом
маленькая спичка вызывает большой пожар? У кро-
хотного факела температура 600—800 градусов.
Но все равно этого далеко не достаточно, чтобы про-
262
греть насквозь внутренности цеппелина пли обыкно*
венного полена до температуры реакции. А языки
пламени ненасытны, их не уймешь, пока они не сли-
жут дотла остатки своей добычи, И это еще не все
вопросы.
Возьмите кусочек рафинада и попробуйте поджечь
его. Сахар оплавится, обуглится, но не воспламенит-
ся. А теперь посыпьте его золой из пепельницы.
И вторично поднесите зажженную спичку. Сахар
вспыхнет ровным голубоватым пламенем. Что случи-
лось?
Зола сама по себе негорюча. Ведь это же мине-
ральные солп! Если провести химический анализ, то
в остатке от преданного огню кусочка рафинада вы
обнаружите то же количество золы, взятой из пепель-
ницы, что и до опыта. Очевидно, зола сыграла роль
катализатора. Выходит, не только от тепла зависит
скорость реакции!
И все же сахар можно поджечь спичкой без ка-
тализатора.
263
Те, кому довелось бывать на сахарных заводах,
помнят, должно быть, таблички «Не курить!» даже
там, где нет и в помине чего-нибудь легковоспламе-
няющегося. Оказывается, остерегаться следует... са-
хара. Правда, не кускового. Опасным врагом он ста-
новится лишь в виде пылинок, витающих в воздухе.
Обмерьте кусочек пиленого сахара. Общая пло-
щадь его граней невелика — в лучшем случае, с боль-
шую почтовую марку. Но разотрите кусочек в тонкую
пудру — и суммарная поверхность частиц может
достигнуть размеров футбольного поля. Между тем
количество вещества осталось прежним! Если распы-
лить порошок в воздухе, крупинки хорошо переме-
шаются с окислителем (кислородом). И сахар, кото-
рый в компактной массе загорается с таким трудом,
внезапно обретает силу динамита.
А посмотрите-ка на формулу горения сахара:
СбН12Об4-6О2 = 6СО2 + 6Н2О. Она скромно умалчивает
о химических перипетиях, в которых могут участво-
вать молекулы сахара. Ибо уравнение реакции отра-
жает лишь перераспределение химических связей
между атомами. А нас интересует сейчас, как проте-
кает химический процесс от начала до конца.
Для этого нам придется заглянуть в самые потай-
ные механизмы, прячущиеся за кулисами химиче-
ских уравнений.
(Химическая реакция — ее тонкости не так-то
просто постигнуть!
Мъ\ уже знаем, как молекула рождается и как
она умирает. Но образование или разрушение валент-
264
ной связи — лишь итог химической реакции. Причем
в реальных системах приходится иметь дело с огром-
ными скоплениями молекул, где беспокойные члены
коллектива оказывают друг на друга заметное влия-
ние. Например, когда мы пишем: + то
вовсе не имеем в виду, что две молекулы водорода
прореагировали с одной молекулой кислорода и дали
две молекулы воды. За каждым символом подразу-
мевается колоссальное скопище частиц одного сорта.
Уравнение же отражает лишь соотношение между
частицами разных сортов, участвующих в реакции.
А коли так, то естественно допустить, что изменение
количества молекул придаст системе в целом какие-
то новые качества.
Так оно и есть на самом деле.
Без следов воды не идет реакция 2Н2-+-02 = 2^0.
Вода, которая гасит огонь, оказывает здесь каталити-
ческое действие. Но та же реакция протекает по-раз-
ному в зависимости от того, насколько хорошо пере-
мешаны водород и кислород.
Отдельный элементарный акт химического превра-
щения, описываемый стехиометрическим равенством,
зависит только от трех условий. От взаимной близос-
ти реагирующих частиц. От температуры (вернее, от
их энергии). От присутствия и вида катализатора.
Но химическое превращение — в пробирке ли, в за-
водском ли аппарате — сумма огромного количества
одновременных элементарных актов. И трудно пове-
рить, чтобы во всех случаях свидание реагирующих
молекул или атомов протекало в совершенно одина-
ковых условиях.
В каком-то месте смесь может оказаться неодно-
родной. Где-то не будет близкого контакта с катали-
265
затором. Да и кинетическая энергия у одной моле-
кулы иная, чем у другой. Более того: она изменяется
от взаимных тумаков, которыми мимоходом награж-
дают друг друга молекулы. Ведь они непрерывно
снуют туда-сюда в полном беспорядке. При этом ли-
бо теряют часть своей энергии, либо приобретают
дополнительную. И чем крупнее масштабы процесса,
тем, очевидно, больше всяких случайностей в киша-
щей толпе частиц.
Загляните в холодильник. Температура в нем око-
ло нуля. Давление нормальное. Пусть емкость холо-
дильника 224 литра. Это значит, что он рассчитан
примерно на 10 грамм-молекул газа. Удесятерите
число Авогадро (6* 1б23), и вы узнаете, сколько газо-
вых частиц вмещает при нуле градусов ваш холо-
дильник, когда он пуст. Чтобы точно описать такую
систему, вам пришлось бы составить 60-1023 уравне-
ний. В каждом — миллиарды миллиардов членов.
И чтобы рассчитать, как двигается каждая отдельная
молекула в течение секунды, потребовались бы мил-
лиарды тысячелетий! Между тем заводской реактор
в десятки раз вместительней вашего холодильника.
Быть может, именно это обстоятельство делает непри-
менимыми к большому химическому реактору выво-
ды, справедливые для маленькой пробирки?
Как ни странно, нет. Вот наперсток. Он вмещает
в 100 тысяч раз меньше молекул, чем ваш холодиль-
ник. И число уравнений окажется во столько же раз
мегньше. Масштаб такого соотношения 300 лет и одни
сутки. Огромная разница! Между тем решать систему
из 60 миллиардов миллиардов уравнений (величина
60 I023, уменьшенная в 100 тысяч раз) вам пришлось
бы тоже не менее миллиарда тысячелетий. Так что
М4
переход от пробирки к аппарату ненамного усложнил
бы эту и без того непосильную задачу.
Однако математики ухитрились сделать так, что
чем больше частиц, тем точнее описание системы!
И это не парадокс. Ученых выручает статистика.
Именно она избавила их от непомерной платы за точ-
ность, которую требовали законы классической меха-
ники.
Да, операции с большими числами подчиняются
некоторым своеобразным закономерностям, теряющим
силу для чисел малых.
Пожалуй, можно ограничиться одним, но доста-
точно поучительным примером.
Заболевание пассажира во время рейса — случай
из ряда вон выходящий. Любой из нас изумится, если
беда стряслась именно в его присутствии. Но для сто-
роннего наблюдателя, скажем диспетчера аэропорта,
имеющего дело с сотнями самолетов, а в каждом по
сотне пассажиров, это событие не будет столь неожи-
данным. Он уже готов к тому, чтобы, скажем, при-
мерно на каждую тысячу рейсов (сто тысяч пасса-
жиров) ожидать какого-нибудь ЧП. Недаром любой
аэровокзал имеет медпункт — «на всякий случай*.
Но даже бывалый врач большого аэродрома будет
удивлен, если вдруг в один день сразу три таких слу-
чая, а потом ни одного много лет подряд.
И хотя так вполне может быть, вероятность по-
добного совпадения очень и очень мала. Обычно слу-
чайные события распределяются более или менее за-
кономерно. Чем больше отклонение от статистической
нормы, тем менее оно вероятно. Кривая таких откло-
нений напоминает наполеоновскую «треуголку*.
Но называется она «треуголкой Гаусса* — по имени
2*7
математика, занимавшегося
исследованием вероятност-
ных процессов. Самая верх-
няя часть «треуголки» — ка-
кое-то среднее значение
определенного параметра,
которым характеризуется на-
ше множество. Скажем, чис-
ло несчастных случаев, при-
ходящееся на определенное
множество пассажиров. Оно
наиболее вероятно. Меньшие или большие значения
находя 1ся на левом или правом склоне «треуголки».
И чем больше отклонение от среднего статистическо-
го значения, тем ниже точка на кривой, тем меньше
вероятность. Кривая строго описывается математиче-
ским уравнением. Это помогает предвидеть случайно-
сти и приготовиться к ним.
Так, пожертвовав слишком дорогостоящей, а по-
тому и никчемной, точностью ньютоновской механики,
статистика приобрела вероятностную строгость опи-
сания — куда более ценную в практических расчетах.
268
Таков, видать, парадокс
жертвы: мы всегда жертву- *W*
ем чем-то дорогим ради г
чего-то еще более ценного. у5* /
Процессов, зависящих от / *
воли случая, немало. На- /
пример, количество пасса- I \ I Г
жиров колеблется от рейса I
к рейсу. Их распределение | \
внутри салона воздушного
корабля тоже (если, конеч-
но, кассир продает билеты не по порядку). Скорость
и высота полета, время старта, точность приземле-
ния — словом, все, на чем основана точность распи-
сания, зависит и от капризов погоды. Тем не менее
нарушение графика воздушных сообщений — исклю-
чение. Как правило, все идет нормально. Ибо мы
умеем предвосхитить отклонения от среднего статисти-
ческого значения и предпринять контрмеры.
Режим работы химического аппарата тоже под-
вержен случайностям. Начать хотя бы с того, что
в смеси реагентов царит несусветный хаос, тогда как
в обществе пассажиров на борту самолета порядок.
Здесь и речи не может быть о каком-то разумном
регулировании режима самими частицами. Если в са-
лоне пассажиры охотно выполняют пожелание эки-
пажа более рационально распределиться по свобод-
ным местам, чтобы увеличить устойчивость быстро-
крылой махины, то атомы и молекулы не пойдут ни
на какие уговоры. Они слепо подчиняются лишь за-
конам физики. Но эта-то слепота и помогает матема-
тикам!
Да, частицы не сидят на месте, а мечутся в бес-
269
порядке, сталкиваясь друг с другом. Да, ни одна из
них в таких условиях не может сохранять свою ско-
рость постоянной,. Да, при каждом соударении кине-
тическая энергия перераспределяется между двумя
столкнувшимися молекулами. И все же в этом хаосе
царят свои законы.
Число молекул огромно. Не сто, не тысяча, не
миллион. Даже в колбе их миллиарды миллиардов.
Именно это позволяет применять к системам из та-
кого большого числа частиц теорию случайных про-
цессов. Заметные отклонения от статистического сред-
него значения здесь настолько несущественны, что
выводы теории вероятностей обретают силу закона.
Например, можно точно рассчитать, какая доля мо-
лекул обладает наиболее вероятной скоростью и на-
сколько другие отклоняются от этого значения. Куда
точнее, чем случайное распределение величин в усло-
виях того же самолета.
А это очень важно для математических расчетов
скорости реакций.
Скорость реакции... Минули столетия, прежде чем
позеленела и рассыпалась в прах бронза старинных
мечей. А геохимические процессы тянулся миллионы
лет. Зато взрывы настолько кратковременны, что
глазом не успеешь моргнуть, как они уже закончи-
лись. От того, сколько дней будет затвердевать це-
мент, зависит срок пуска сооружений. Когда жизнь
человека висит на волоске, вся надежда порой на
скорость действия медицинского препарата.
(Быстрота химического превращения веществ —
едва ли не самая главная характеристика любо-
го технологического процесса.
270
Кому нужен огромный реактор, выдающий про-
дукцию в час по чайной ложке? С другой стороны,
если процесс начинает спешить, превышая дозволен-
ный предел, нависает угроза аварии. Вот почему так
важно знать, с какой скоростью протекает реакция
и как добиться желанного технологического режима.
Скорость химического превращения, мы уже
знаем, зависит от концентрации реагентов.
Чтобы частицы прореагировали, они должны сбли-
зиться. Для газовой смеси это не проблема. Там за
секунду происходят десятки миллиардов столкнове-
ний. Продолжительность каждого соприкосновения
ничтожно мала. Но период обращения электрона во-
круг атомного ядра еще меньше. Он относится к про-
межутку между соударениями, как день к столетию.
Так что есть время дождаться, пока юркий электрон
соблаговолит перескочить с атома на атом, чтобы
образовать валентную связь. Поляризуемость моле-
кул еще больше удлиняет время контакта, пребыва-
ния одной частицы в электрическом поле соседней.
Разумеется, не всякое сближение приводит к за-
ключению химического союза. Однако чем чаще
столкновения, тем выше вероятность взаимодействий.
Ведь в более густой толпе толкучка сильнее.
По мере того как образуется новое соединение,
толпа молекул зачастую редеет. Например, после каж-
дого элементарного акта взаимодействия 2Н2+О2 =
=2Н2О вместо трех молекул образуются две. А в реак-
ции N24-3H2 = 2NH3 две из четырех. Чтобы повысить
концентрации реагирующих веществ и увеличить вы-
ход продукта, приходится прибегать к повышенному
давлению. Равновесие тотчас же смещается так, что-
бы ослабить внешнее воздействие: концентрация ис-
271
ходных веществ падает, зато конечного продукта при-
бавляется.
Однако если бы скорость химического превраще-
ния зависела лишь от концентрации реагентов, на
Земле начались бы довольно странные вещи. Пред-
ставьте себе, что вдруг ни с того ни с сего вспыхнула
книга, которую вы читаете. Или стул, на котором вы
сидите. Расческа, которая лежит у вас в кармане.
Этого не происходит. Даже бензин преспокойно стоит
в бачке, не угрожая пожаром. Между тем, казалось
бы, созданы все условия для реакции: кислорода
предостаточно, а бумаге, дереву, целлулоиду, бензину
горючести не занимать. Но пет, недаром книжка Рея
Брэдбери называется «451° по Фаренгейту» ^пример-
но 230 градусов по Цельсию). Лишь при такой тем-
пературе воспламеняется бумага.
Разумеется, и при нормальных условиях молекулы
кислорода сталкиваются с молекулами топлива, ска-
жем бензина. И отскакивают друг от друга, как
бильярдные шары. Взаимодействия не происходит.
Картина изменится, если поднести спичку (подобный
опыт, конечно, следует проводить чисто умозритель-
но). Тепло ускорит движение молекул, увеличит их
энергию. И только перешагнув через определенный
энергетический барьер, молекулы смогут вступить
в химическое взаимодействие.
Энергия активации не обязательно должна под-
водиться в виде тепла (инфракрасного излучения).
Смесь водорода с хлором взрывается, если на нее
направить солнечный свет.
Действие катализатора именно в том и заклю-
чается, что он понижает энергию активации, облег-
чая молекулам путь к химическому союзу. Понижает
272
раза в два-три. А ферменты — органические катали-
заторы — даже в четыре-пять раз! Понятно, почему
в клетках нашего тела сахар сгорает при температуре
менее 40 градусов. Катализатор способен ускорить
процесс в миллионы раз!
Важная и интересная деталь: катализатор сам по
себе не увеличивает выход продукта. Ибо он не сме-
щает равновесия, как давление или нагревание.
Он просто ускоряет его наступление. Это немного
странно на первый взгляд. Но факт неоспорим.
Вот паша реакция N2-b3H2==2NH3. Аммиак обра-
зуется и при комнатной температуре. Ведь какая-то,
правда небольшая, часть молекул азота и водорода
всегда имеет энергию иную, чем наиболее вероятная.
Статистический «разброс» приводит к тому, что неко-
торые молекулы реакционноспособны. Взаимодейст-
вие начинается. Но пока наступит равновесие, при-
дется ждать несколько тысячелетий. Если же внести
катализатор, равновесное состояние установится во
много раз быстрее. Однако количество аммиака бу-
дет тем же, что и через тысячи лет.
Казалось бы, выход аммиака можно повысить
нагреванием. Ничуть не бывало! Как раз наоборот:
чем выше температура, тем сильнее сдвинуто равно-
весие в сторону разложения аммиака. Это объясняет-
ся просто: при реакции выделяется тепло. А равно-
весные системы как бы стараются погасить, ослабить
внешнее воздействие по мере собственных сил и воз-
можностей. Уже говорилось, что увеличение давления
сдвигает равновесие N24-3H2^2NH3 вправо. Иботогда
суммарное количество молекул убывает, и давление
в системе падает. Нагревание же, напротив, привно-
сит тепловую энергию в дополнение к той, которая
18 Л. Бобров
273
выделяется в процессе реакции. Чтобы как-то ском-
пенсировать внешнее «возмущение», система пере-
страивается. Реакция начинает течь вспять, поглощая
тепло. Тогда, быть может, стоит посильней охладить
смесь? Опять нет! Понижение температуры сильно
уменьшит скорость превращения азота и водорода
в аммиак. Придется ждать богатого выхода тысяче-
летиями. Нет уж, лучше подобрать такие условия,
когда скорость превращения окажется достаточно вы-
сокой, а выход продукта не слишком низким. Такой
режим в математике называется оптимальным.
Не все системы в химии характеризуются подоб-
ным приспособленчеством.
Бывает, что они возмущенно реагируют на внеш-
нее «раздражение» бурным противодействием. На-
пример, горючая смесь в цилиндрах двигателей внут-
реннего сгорания. Иногда она во время такта сжатия
взрывается. Приходится усмирять бензин антидетона-
ционными добавками.
Горение и взрыв — пожалуй, самые непокорные
среди реакций. Но их неповторимое своеобразие,
а главное, их огромное научное и техническое значе-
ние притягивают к себе ученых, словно магнитом.
Огонь... Ослепительное и жаркое чудо природы
с незапамятных времен будоражило человеческое
воображение. «Молодое электричество мы знаем луч-
ше, чем древний огонь». Эти слова принадлежат соз-
дателю современной теории горения академику Ни-
колаю Николаевичу Семенову.
Лишь в самые последние десятилетия ученым уда-
лось приподнять завесу над тайнами Прометеева да-
ра. И ученые-огнепоклонники обогатили химическую
науку удивительными откровениями.
274
Цепные реакции. Свободные радикалы. Учение
о химической кинетике, о скоростях химических
превращений. Сколько замечательных достиже-
ний связано с этими разделами химии!
А началось все с традиционных «что» и «почему»,
в которых детская наивность соперничает с философ-
ским глубокомыслием.
Почему из искры возгорается пламя? Что такое
горение? Что такое огонь? Что такое взрыв?
Не на все вопросы есть исчерпывающие ответы
Но кое-что о загадочной огненной стихии знает хо-
рошо нынешняя наука.
Что происходило, когда Кавендиш поджигал во-
дородную струйку? Поначалу шла диссоциация. Мо-
лекула Нг от жары распадалась на атомы. Осколка
13* * 275
получались очень активными. Молекулам О2, посту-
павшим из окружающего воздуха, суждено было тот-
час же пасть жертвами агрессии. На какое-то мгно-
вение возникал неустойчивый комплекс НО2. Впро-
чем, он тут же разваливался на куски НО2 = 0 4- ОН.
Оба только что объявившихся обломка — атомарный
кислород и гидроксил — продолжали атаку с той же
стремительностью. Однако на этот раз нападению
подвергались молекулы того, кто начал агрессию, —
водорода: ОН -4- Н2 = Н20 4- Н. Молекула воды вы-
бывала из игры. Новый же атом Н шел по стопам
своего воинственного предшественника. Бросаясь на
молекулу 02, он разбивал ее на ОН и О. Атом кисло-
рода не оставался в долгу и громил молекулу водо-
рода: О 4- Н2 = ОН 4- Н. И так далее. Достаточно
было появиться одному-единственному «запальному»
атому, как он обрушивал на мирно дремавшую смесь
непрерывно нараставшую лавину детонаторов. Начи-
налась разветвленная цепная реакция. Не будь ее,
гремучая смесь не взрывалась бы.
За создание теории цепных процессов академик
Семенов удостоен Нобелевской премии.
Но, позвольте, цепные реакции? Так это же взрыв!
Совершенно верно. Правда, не ядерный. Химический.
Мало кто знает, что цепные реакции были откры-
ты сначала в химии. Это случилось в 1913 году — за
тридцать лет до того, как был запущен первый атом-
ный «котел».
В большой прозрачной бутыли — смесь хлора и
водорода. Не спеша течет реакция Н2 4- С12 = 2HCL
В темноте. Но стоит на сосуд упасть солнечному лучу,
как происходит взрыв. Даже один-единствениый све-
товой квант может сыграть роль запала.
т
Это долгое время смущало ученых. Закон фото-
химической эквивалентности, открытый Эйнштейном,
гласил: каждый квант способен вызвать лишь один
элементарный акт химического превращения. Не боль-
ше. Почему же газы реагировали мгновенно и цели-
ком? Неужто Эйнштейн ошибся?
Поставьте на торец костяшку домино. Рядом дру-
гую. За ней третью. И так далее. Теперь толкните
крайнюю в этой очереди. Вслед за первой полягут
все. Импульс один, а падает целиком вся очередь.
То же самое и в смеси Н2 с С12.
Поглощение светового кванта действительно вызы-
вает один элементарный химический акт. Молекулы
хлора диссоциируют на атомы: С12 4- квант = Cl ci.
(Точкой обозначен возбужденный неспаренный элек-
трон.) Но вслед за тем начинается вереница микро-
катастроф: ci-р н2 = НС14-Й; Н4-С12 = НС14-CI;
С14-Н2 = НС1 + Н...
Цепочка стремительно нарастает, перебегая от моле-
кулы к молекуле, захватывая в конце концов весь
объем смеси.
Цепная реакция! Разве что неразветвленная. Перед
нами именно вереница, а не веер взаимодействий, как
при горении водорода в кислороде. Там один атом
порождает трех не менее активных отпрысков. А здесь
число частиц в каждом колене не возрастает. Коэф-
фициент размножения равен единице. И тем не менее
хлор взрывается в смеси с водородом. Но позвольте,
разве имеет какое-нибудь, пусть даже самомалейшее,
сходство грозная сила всесокрушающего взрыва
с робким трепетом крохотного язычка пламени?
277
Да. Колпачок огня, выросший над газовой горел-
кой или над фитилем свечи, имеет четкие очертания.
Но ведь воронка речного водоворота тоже обладает
скульптурной рельефностью формы! И тем не менее
в обоих случаях налицо непрерывный поток. Вечно
обновляющаяся, хотя и стабильная в своем беспокой-
ном равновесии, динамическая система. Здесь тонкая
оболочка пламени почти неподвижна. Зато через нее
течет тотГливо навстречу окислителю.
А бывает и наоборот: топливо и окислитель стоят
на месте, движется лишь граница пламени. Если
в комнату просочилось изрядное количество водорода,
не приведи бог чиркнуть спичкой. Взрыв неминуем.
Фронт пламени, распространяясь концентрически,
мгновенно обежит весь объем смеси. Его скорость
при этом превысит звуковую. Это точно измерили уче-
ные, сумевшие заглянуть в недра огненной стихии.
Разумеется, изучать детонацию в газах, когда кру-
гом дребезжат стекла и рушатся потолки, не так уж
здорово. Поэтому взрыв упрощают. Прозрачная труб-
ка, заполняется газообразной смесью горючего с окис-
лителем. Если поджечь смесь с одного конца, фронт
пламени быстро побежит внутри трубки вдоль ее оси.
Но тут начинают продувать газовую смесь в проти-
воположном направлении. Скорость подбирают так,
чтобы колышущаяся пленка огня остановилась среди
трубки. Перед нами самый обыкновенный огненный
язычок! А по сути дела — взрыв, упрятанный в трубку.
Обнаружилось, что химические превращения про-
текают главным образом в тот миг, когда частицы
газа пересекают тонкую наружную оболочку пламе-
ни. Он длится ничтожные доли секунды — стотысяч-
ные, а то и миллионные. Например, газы, подавае-
278
мые в горелку Бунзена со скоростью от 30 до 60 мет-
ров в секунду, переходя через границу пламени, до-
стигают скоростей до 900 метров в секунду. Это в два
с половиной раза резвее звука! А при взрывах фронт
пламени может распространяться со скоростью от
1800 до 2500 метров в секунду.
Как же человек проник в этот быстротекущий
огненный круговорот, чтобы раскрыть вековечные тай-
ны Прометеева дара?
Заморозить пламя — на первый взгляд это вы-
глядит парадоксальным. И все же, если внезапно ох-
ладить до минус 100 градусов зону, где только что
началось горение, удается остановить реакцию в са-
мом ее разгаре. И выходцы из призрачного мира огня
потрясли ученых своей необычностью. Чего тут толь-
ко пе нашли! Например, в углеводородном пламени
одних перекисей углерода целую компанию: СОз,
СО4, даже СО5.
Можно, конечно, обойтись и без вмешательства
Деда Мороза. Теоретически удается рассчитать дли-
ны волн, которые должны испускаться обломками мо-
лекул. Например, СН дает фиолетовое свечение,
СС — зеленое.
По характерным линиям в спектре были обнару-
жены также НСО, ОН н другие осколки.
Как видно, мир углеводородного пламени еще бо-
лее экзотичен, чем просто водородного.
Уж коли формулы-простушки: Н2 4- Cl2 = 2НС1 и
2Н2 4- О2 = 2Н2О на поверку выходят далеко не бес-
хитростными, можно себе представить, насколько
сложнее внутренний механизм такой, к примеру,
реакции: 2СП Н2П+2 4- (Зп 4- 1)Ог = 2пСОг 4- (2п +
279
+ 2)Н2О. Это уравнение описывает горение насы-
щенных углеводородов, скажем, вещества свечи. Вер-
нее, не сам процесс, а его пролог и эпилог.
Как и у любого другого уравнения реакции, здесь
в левой части — сумма исходных реагентов. В пра-
вой — конечных продуктов. Старт и финиш, как на
аэродроме. И как на командировочном удостоверении
штампы убытия и прибытия ничего Не говорят о ва-
ших путевых приключениях, так и здесь из уравне-
ний видны лишь состояния в начальной и конечной
стадиях. А между ними — дистанция огромного раз-
мера! Огромного, хотя вещества и проходят ее порой
за ничтожные доли секунды. Сколько промежуточных
соединений, сколько побочных процессов заключает
в себе этот коротенький временной интервал!
(Задача — пробраться за кулисы химического
уравнения. На очереди — химия горячая и хи-
мия стремительная.
Именно учение о кинетике сосредоточило внимание
исследователей на тонкостях химического взаимодей-
ствия, которые так долго ускользали из поля зрения
ученых.
Без познания сокровенного механизма реакций
было бы немыслимо создание ракетных и реактивных
топлив и двигателей. Тот же «ТУ-104» не поднялся бы
в воздух, не будь теории горения, созданной акаде-
миком Семеновым и его школой. В современной хи-
мической технологии тоже все большее значение при-
обретают процессы, идущие с большими скоростями
и при высоких температурах.
280
Реактивный двигатель, во всяком случае прямо-
точный, — это, по существу, горелка Бунзена, разве
что увеличенная до громадных размеров. Воздух на-
гнетается в смеситель с ураганными скоростями —
60 метров в секунду и выше. Но еще стремительнее
(900 метров в секунду) выстреливаются из хвостово-
го сопла выхлопные газы, возникающие при сгорании
распыленного топлива. Неравенство давлений на вы-
ходе и входе, развивающееся в процессе реакции,
толкает самолет, а горелку прижимает к столу. Изу*
чение пламени горелки привело к интересным и важ-
ным практическим выводам.
Посмотрите на пламя свечи или лабораторной го-
релки. У него четкая внутренняя структура. Всегда
можно различить темный внутренний конус, бледную
поверхностную оболочку и более яркую промежуточ-
ную зону. В каждой области образуются своп вещест-
ва. Порой такие, которые в обычных условиях полу-
чить невозможно. А главное — с огромными скоро-
стями! Если удлинить реакционные зоны пламени, то
можно извлекать из них промежуточные продукты.
Допустим, в трубе сжигают смесь газообразных
углеводородов. Тогда на одном участке будет возни-
кать этилен, на другом — ацетилен, на третьем —
сажа. Все три — ценнейшее химическое сырье.
Их можно отсасывать из пламени — достаточно при-
строить к камере сгорания трубы с водяным охлаж-
дением.
Трудно переоценить выгоды, которые сулит по-
добная «огневая» технология. До сих пор ацетилен
С2Н2 вырабатывают, применяя трудоемкий двух-
стадийный процесс. Сначала — получение карбида
кальция 2СаО + 5С = 2СаС2 + СО2. Затем обра-
281
ботка его водой: СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 4-С2Н2.
Новый высокоскоростной способ значительно сни-
жает себестоимость важного продукта.
«Сегодня химические процессы отнимают дни и
часы, завтра они будут совершаться со скоростью
взрыва». Эти слова произнесены академиком Тра-
пезниковым. Вадим Александрович не химик. Он за-
нимается автоматикой и телемеханикой. Но как бы
то ни было, его пророчество, несомненно, сбудется.
Залогом тому — стремительное развитие науки о вы-
сокотемпературных реакциях. Не менее стремитель-
ное, чем сами сверхскоростные процессы.
Огромен диапазон скоростей, давлений и темпе-
ратур, с которыми приходится иметь дело нынешне-
му химику. И зачастую проверенные расчетные ме-
тоды, приложимые к одним технологическим режи-
мам, отказывают при переходе к другим. Вот, на-
пример, кинетика горения и взрыва — сколько здесь
своеобразия! Разве легко учесть все неповторимые
особенности, присущие, скажем, цепным реакциям?
Не следует думать, будто цепные реакции идут
лишь при адской жаре.
«Осторожно! Окрашено». Сколько раз это корот-
кое предупреждение заставляло нас, как от огня, от-
прянуть от долгожданной скамейки или боком, с ог-
лядкой, пробираться через двери, словно боясь об-
жечься о раскаленные головни! Хотя любая масля-
ная краска, даже самого что ни на есть огненного
цвета, сама боится пламени и предпочитает про-
хладу. И тем не менее высыхание льняного масла —
самая настоящая цепная реакция.
При взрыве гремучей смеси инициатором лавин-
ного процесса был обломок молекулы Н2. Органиче-
282
ские соединения тоже способны отщеплять активные
осколки — свободные радикалы.,.
Как они вырвались на свободу,..
«И вижу: сидят людей половины. До пояса здесь,
а остальное там». Ну, конечно же, поэт шутил. Зло,
остроумно, но, выражаясь языком литераторов, че-
ресчур гротескно. Даже в мифах фантазия людей
не переходила столь смело роковой рубикон: попа-
даются кентавры, но нигде не упоминается полчело-
века или пол-лошади в отдельности; можно встре-
тить ундину, но не дамский торс и рыбий хвост, су-
ществующие порознь.
Шутки шутками, а явление, с которым столк-
нулись химики на рубеже XIX и XX веков, застави-
ло ученых пересмотреть взгляд на взаимоотношения
между целым и его частями.
Сотрудник Мичиганского университета Мозес
Гомберг проводил самый заурядный синтез. Он хо-
тел получить гексафенилэтан действием цинка на
бромистый трифен ил метил:
С6Н5 сбн5 Сьн, С6Н5
| ________ i I /
CsHrC - -C-C6H5=ZnBt + C$H5-C -C-C(,H5
C6H5 C6HS С6Н5 сбн5
Но ученый обманулся в своих ожиданиях.
В колбе обнаружилось вещество, которое содержа-
283
ло два атома кислорода. Откуда они? Из воздуха?
Тогда опыт был повторен без доступа воздуха. Же-
ланное соединение было-таки получено, но../ни с то-
го ни с сего вдруг развалилось пополам! Самое
странное в том, что осколки оказались довольно
стойкими. И долго сохраняли полную самостоятель-
ность. В синтезе Гомберга реакция словно бы
остановилась на полпути. «Прозаседавшиеся» ради-
калы не торопились соединиться друг с другом,
как смешные человеческие половинки в стихотворе-
нии Маяковского. Или хотя бы с другими атомными
группами, чтобы дать целостное сочетание — како-
го-нибудь химического кентавра, что ли. У обеих
половинок — радикалов трифенилметила — одна ва-
лентная связь оставалась свободной, ненасыщен-
ной.
Так наука впервые познакомилась со свободны-
ми радикалами.
Легко видеть, что число электронов, образующих
химические связи, у радикала нечетное.
Самый характерный признак радикала — нали-
чие у него неспаренного электрона. Он-то и выдает
присутствие свободных радикалов. Чем больше в ве-
ществе этих маленьких магнитиков, тем сильнее пре-
парат втягивается магнитным полем. Целостные же
органические соединения, подобные бензолу, вытал-
киваются из него. Ведь у них все спины попарно ан-
типараллельны. И почти все органические соедине-
ния именно таковы — диамагнитны. А свободные
радикалы парамагнитны. Это различие оказалось
на руку исследователям химических реакций. Оно
используется в методе ЭПР — электронного пара-
магнитного резонанса. Предложенный советским
284
ученым, академиком Владиславом Владиславовичем
Воеводски#, метод ЭПР стал эффективным средством
исследования в руках химиков. С его помощью высле-
живают осколки молекул, которые участвуют в цеп-
ных реакциях.
Да, именно они, эти скоропостижно умирающие
частицы, определяют ход цепной реакции.
Разбирая горение водорода, мы столкнулись
с необычным промежуточным соединением — НОг.
Свободные радикалы столь же жадно, как и атом
водорода, .присоединяются к кислороду: R -|- О2 =
= RO2. И неспроста: молекула кислорода парамаг-
нитна. Правда, в ней четное число электронов. Но
ведь два из них не спарены!
Органические молекулы разваливаются на куски
при меньшей температуре, чем Н2. Некоторые из
них, особенно сложные, претерпевают подобную ка-
тастрофу уже при 93 градусах — раньше, чем заки-
пит вода. Распад происходит в тот момент, когда
мы подносим спичку к полену, свече или газовой
конфорке. Тотчас же возникают неустойчивые соеди-
нения RO2. Если тепла достаточно, они диссоцииру-
ют на RO и О, которые поведут себя затем столь же
агрессивно, как НО и О при горении водорода. По-
началу тепло дает спичка. Потом оно в нарастаю-
щем количестве выделяется самой реакцией. Число
звеньев увеличивается в геометрической прогрессии.
Спичка давно погасла, а огонь захватывает все но
вые и новые массы вещества: горение уже перешло
в самоподдерживающийся процесс.
В ...И как их заковали в цепи.
285
Иногда цепи разветвляются сверкающим веером
настолько стремительно, что процесс заканчивается
взрывом. Но цепи могут и обрываться. Например,
в тех случаях, когда происходит рекомбинация. Сое-
диняясь между собой или с атомами водорода, сво-
бодные радикалы снова дают устойчивые соедине-
ния. Так, в пламени конечным звеном цепи служат
обычно молекулы Н2О или СО2.
Столкновение со стенкой или даже с пылинкой
отбирает у активной частицы избыточную энергию
и тоже, как правило, рвет цепь. Очевидно, каждый
такой обрыв препятствует дальнейшему развитию
реакции. А при неблагоприятных условиях может и
вовсе прекратить ее. Вот почему для цепных про-
цессов существенно, какое им отведено помещение.
В длинных и узких трубках вероятность столкнове-
ний со стенками, очевидно, больше, чем в шарооб-
разном сосуде. И цепи будут обрываться, конечно,
чаще.
При низких температурах цепочки почти не раз-
ветвляются. Вместо веера здесь вереница взаимо-
действий. Каждый свободный радикал занимает ме-
сто предыдущего, уступая его следующему себе по-
добному. Устанавливается подвижное равновесие
между возникновением и обрывом цепей. Реакция
достаточно медлительна, чтобы выделившееся тепло
рассеялось в окружающую среду и не взвинтило
скорость процесса. Именно так высыхают краски.
Сначала кислород взаимодействует с маслом. Полу-
чается гидроперекись. Она неторопливо разлагается,
порождая свободные радикалы. А те, в свою оче-
редь, образуют поперечные связи между молекулами
льняного масла. Пленочное покрытие твердеет.
286
А если бы тепло не успевало рассеяться? Темпе-
ратура дошла бы до точки, где цепи начинают раз-
ветвляться. Произошло бы. как говорят пожарники,
самовозгорание. И это действительно случается вре-
менами с кучами промасленного тряпья.
Не приходила ли вам в голову мысль: а почему,
собственно, мы, люди, не воспламеняемся? Ведь
каждый наш вздох — окисление. Достаточно по-
явиться одному запальному радикалу, как... Конеч-
но, можно возразить: сгорание глюкозы протекает
в водной среде внутри клеток. Разумеется, в таких
условиях о пламени и речи быть не может. А все-
таки интересно: идут в нашем организме разветвлен-
ные цепные реакции или нет?
Нет. Не идут. Хотя, быть может, вдыхаемый на-
ми кислород поглощается и не без участия свобод-
ных радикалов. Если, конечно, так можно назвать
промежуточные вещества, переносящие один элект-
рон в сложном процессе окисления глюкозы. Любо-
пытно, что зеленый лист, облученный светом, дает
характерный спектр ЭПР. Но ведь фотосинтез —
это процесс, обратный сгоранию глюкозы в наших
клетках! И все же одноэлектронный перенос заря-
да не имеет ничего общего с типичной цепной ре-
акцией. В этом немалая заслуга витаминов Е и С.
Первый защищает жировую ткань, второй — водную
среду организма от разрушительного действия воз-
можных окислительных цепных реакций.
Между тем образование настоящих свободных
радикалов в человеческом организме вполне реаль-
но. Так происходит, например, при радиоактивном
облучении. Это не значит, разумеется, что человек
вспыхивает как спичка. Но цепные процессы могут
287
привести к серьезным расстройствам в нормальной
деятельности клеток. Недаром ученые заняты по-
исками ингибиторов (так называются отрицатель-
ные катализаторы, тормозящие ход нежелательных
химических процессов). В технике уже получили
широкое применение антиокислители и консерван-
ты: их добавляют к смазкам, пластмассам, топли-
вам, медикаментам и пищевым продуктам.
(Математический анализ раковой опухоли. Ко-
щунство? Нет, гуманность!
Как это ни странно, цепные реакции имеют не-
посредственное отношение к проблеме рака. Конеч-
но, пока это лишь гипотеза. Но весьма правдоподоб-
ная. Она высказана одним из создателей теории го-
рения — членом-корреспондентом АН СССР Эману-
элем. Вот что рассказал автору этих строк Николай
Маркович:
— Механизм превращения нормальных клеток
в опухолевые? Вот уже много лет подряд мы иссле-
дуем его с позиций учения о химической кинетике.
Среди разных причин, вызывающих страшный не-
дуг, наше внимание привлекают свободные радика-
лы. Они образуются в клетке под действием радиа-
ции. Канцерогенность, то есть способность возбуж-
дать рак, свойственна и химическим соединениям.
Например, бензпиренам, содержащимся в выхлоп-
ных газах автомобилей, в табачном дыме. Попав че-
рез легкие в организм, канцерогены приводят к об-
разованию свободных радикалов. А те повреждают
288
белки, ферменты, нуклеиновые кислоты. Они поку-
шаются и на ингибиторы-антиокислители (в частно-
сти, некоторые витамины), содержащиеся в клетке.
Такое варварство не проходит бесследно. Клетки
начинают безудержно размножаться. Если это так,
то естественно ожидать, что картину прогрессирую-
щей злокачественной опухоли можно описать урав-
нениями химической кинетики. II вот оказалось, что
развитие экспериментального лейкоза у мышей дей-
ствительно подвластно строгим математическим за-
кономерностям!
Онкологам давно известно, что привить опухоль
от больного зверька здоровому не удается, если взя-
то слишком мало клеток. Нужно вполне определен-
ное их количество, чтобы началась болезнь. Подоб-
ные явления получили название «пороговых^. Мы
рассмотрели их в кинетическом аспекте. Обнаружи-
лось, что переход от невосприимчивости к заболева-
нию при постепенном увеличении числа клеток имеет
скачкообразный характер. Это напоминает крити-
ческие явления в цепных реакциях, когда незначи-
тельное изменение условий вызывает внезапный
скачок: только что процесс протекал с едва замет-
ной скоростью, и вдруг — взрыв!
Николай Маркович показывает график. На нем
плавные кривые. Они поначалу идут полого, почти
горизонтально, а затем круто взбегают кверху. Да,
именно так, лавинообразно, развивается во времени
цепной процесс. Вот уж никто бы не подумал, что
даже сугубо биологические явления в руках химика
приобретут математическую четкость!
19 Л. Бобров
289
А в самой химии? А какой мере поддается мате-
матическому анализу огромное разнообразие
явлений — от спокойной, размеренной вереницы
взаимодействий в сохнущей краске до стреми-
тельного фейерверка цепных процессов при
взрыве?
В 1907 году известный русский математик Ан-
дрей Андреевич Марков заложил основы теории, ко-
торая впоследствии стала незаменимым инструмен-
том исследований в химии. Впрочем, не только в хи-
мии. В радиотехнике, метеорологии, биологии —•
в любых отраслях науки и техники успешно исполь-
зуются вероятностные построения, известные под
названием «цепей Маркова».
Наиболее рациональное обслуживание больных
на медпункте аэродрома... Автоматическое распреде-
ление нагрузок в большой энергосети... Размноже-
ние и гибель раковых клеток... Диффузионное раз-
деление урановых изотопов... Трудно поверить, что
столь несхожие явления можно привести к одному
знаменателю. Но это так. Перед нами знаменитые
марковские процессы. Их теория славится хорошо
разработанным математическим аппаратом. Он сво-
дится к дифференциальным и интегральным урав-
нениям. Тяжелая математическая артиллерия бьет
без промаха, допуская строгий теоретико-вероят-
ностный анализ случайных процессов.
Любой процесс из целого калейдоскопа окру-
жающих нас ситуаций может быть сведен к одному
из двух типов: либо к марковскому, либо к стацио-
нарному. Процессы первого типа развиваются во
290
времени так, что состояние в следующий момент
у них иное, чем в предыдущий. Пример: взрыв.
И он строго описывается разделом математики, ко-
торый так и называется: теория ветвящихся случай-
ных процессов. Процессы второго типа не зависят
от бега времени. Это установившиеся системы, по-
добные заводскому реактору, работающему в ста-
бильном технологическом режиме.
Заводской реактор... Так это .же и есть конеч-
ная цель химического моделирования! Как се
достигнуть?
Мы узнали, что химики умеют проникнуть в лю-
бые тайны пробирки. Что они могут описать кинети-
ку любого процесса подходящими математическими
уравнениями. Но они не в силах перейти сразу же
от лабораторной колбы к заводскому аппарату. Не
работает теория подобия, по которой авиаконструк-
торы рассчитывают самолеты. Почему же так?
Химический реактор и впрямь чем-то напомина-
ет самолет. Внутри обоих поддерживаются неизмен-
ными температура и давление. Оба рассчитаны на
определенную пропускную способность. Только у од-
ного — молекулы, у другого — пассажиры. Чем
больше размеры того и другого, тем выше произво-
дительность. Полезный «выход» зависит от скорости.
Правда, реактор в отличие от самолета стоит на
месте. Но существенной разницы здесь нет. Через
оба аппарата — летательный и химический — идет
поток индивидов. В одном случае биологических,
в другом — химических.
19* 291
Оба потока подвержены случайностям. Но и тот
и другой поддаются теоретико-вероятностному ана-
лизу. А вот поди ж ты...
Различие начинается в тот-момент, когда мы
вспомним, что конструкция самолета зависит от
свойств внешней среды, а не содержимого, как у ре-
актора. Летательный аппарат — герметичный об-
текаемый ящик, рассчитанный на внешние нагруз-
ки, на взаимодействие с течениями воздушного оке-
ана. Содержимое этого ящика заботит конструкто-
ров в меньшей степени. В конце концов какая раз-
ница, кого или что будет транспортировать воздуш-
ный лайнер? Люди, письма, газеты, продовольствен-
ные или промышленные товары — все одно какой
груз. От его вида не зависят главные требования
к конструкции самолета. Сила тяги, скорость, проч-
ность, долговечность, грузоподъемность — все упи-
рается прежде всего в аэродинамические качества
машины. Иными словами, в то, насколько хорошо
подогнаны формы самолета к непрерывному напору
стремительного встречного ветра. А это соотноше-
ние между потоком воздуха и формой самолета поч-
ти не зависит от масштабов эксперимента.
Иное дело химический аппарат. В нем вид обо-
лочки зависит прежде всего от характера содержи-
мого. Клокочущего, бурлящего, пышущего жаром,
распирающего что есть силы внутренности труб и
котлов. Снаружи здесь такая же спокойная и ком-
фортабельная обстановка, как и в салоне «ТУ-104».
Зато внутри... Именно там непрерывный поток, а не
снаружи, как у самолета. Правда, поток установив-
шийся, как и за бортом воздушного корабля. Ста-
ционарный режим, который поддается математиче-
292
скому анализу. Но тут-то и кончается последняя
капелька сходства.
Мы убедились: влияние тепла на ход химическо-
го взаимодействия огромно. Кинетика процесса
в маленькой пробирке и большом реакторе будет
одинаковой лишь в том случае, когда температуры
распределены равномерно по всему объему. А ведь
тепло выделяется непрерывно при каждом элемен-
тарном акте химического взаимодействия. Между
тем равномерный отвод тепла из зоны реакции за-
висит от размеров и конструкции аппарата. И это
не все. На перенос тепла и вещества влияют также
свойства катализатора, размеры и взаимное распо-
ложение его зерен. Потому-то результаты химиче-
ского процесса и зависят от масштабов экспери-
мента.
Странное дело: лилипуты не хотят превращать-
ся в Г улливеров/
Проектирование промышленной установки обыч-
но проходит долгий путь постепенного увеличения
габаритов. Сначала, конечно, просто колба. Лабора-
торная установка. За ней укрупненная, опытная,
дальше полупромышленная, наконец заводская.
Ну и что? Чем больше этапов, тем лучше будет
отработана технология. Да, но сколько это займет
времени?
Десять, а то и все пятнадцать лет! Столько обыч-
но отнимает путь от лабораторного стенда до за-
водского цеха.
291
Выходит, новое химическое предприятие, пущен-
ное сегодня, осроило технологию 1950—1955 годов?
Значит, перерезая традиционную ленточку, мы вхо-
дим во вчерашний день? И это при теперешних-то
темпах научного прогресса! Трудно поверить, чтобы
за два семилетия, которые необходимы для внедре-
ния нового способа, не состарилась технология,
слывшая когда-то прогрессивной. Да и потреб-
ность в «новом» химическом продукте может от-
пасть!
Однако допустим невероятное — что такого не
произойдет. Все равно десяти лет мало, слишком ма-
ло, чтобы выбрать наилучший вариант из всех воз-
можных конструкций аппарата. Для этого пришлось
бы на каждом этапе изготовлять сотни образцов
одной и той же модели, которые отличаются, ска-
жем, диаметром труб, формой реакционной камеры,
толщиной ее стенок, структурой каталитической
массы, условиями контакта между катализатором
и реагентами и так далее и тому подобное. Между
тем построить даже одну-единственную установку —
дело нелегкое. Это многие недели, а то и месяцы
работы литейщиков, слесарей, токарей, сварщиков.
Это многие килограмм^, а то и центнеры дефицит-
ных материалов. А экономика несговорчива. А вре-
мя нетерпеливо.
И только богатый опыт да недюжинная интуи-
ция способны выручить конструкторов.
, Но вот реактор спроектирован и «выполнен в ме-
талле». Казалось бы, цель достигнута и заботы хи-
миков на этом кончаются. Нет! Предстоит еще найти
наиболее выгодный технологический режим для соз-
данной конструкции.
2*4
Самолет может летать туда-сюда и базироваться
на любом аэродроме. Если «ТУ-104» стал в ремонт,
его легко подменить. «ИЛ-18» или другой его со-
брат — на графике рейсов такая перестановка поч-
ти не скажется. Химический же аппарат накрепко
привинчен болтами к опоре, жестко соединен труба-
ми с остальными элементами производственной схе-
мы. За этим чисто поверхностным различием кроет-
ся глубокий смысл. Реактор — неотъемлемое звено
длинной технологической цепочки. Если он вышел
из строя — замирает вся линия. И, в свою очередь,
его «самочувствие» зависит от поведения всех дру-
гих аппаратов и коммуникаций. Малейшее откло-
нение от стационарного режима на предыдущем
участке непрерывного потока вносит искажения в ди-
намическое равновесие внутри нашей системы. Как
это возмущение скажется на выходе продукта?
В каких пределах допустимы пульсации ритма? Ка-
ков оптимальный режим?
Мы знаем, что нагревание увеличивает скорость
реакции N2-f-3H2z^ 2NH3. И в то же время умень-
шает выход нужного продукта — аммиака. Какая
температура наиболее выгодна?
Правда, можно сместить равновесие вправо, по-
высив давление. Однако это зависит от мощности
насосов и крепости стенок аппарата. Какое давле-
ние наиболее разумно?
Конечно, катализатор пришпоривает процесс,
ускоряя наступление равновесия. Но чем быстрее
ход реакции, тем сильнее «устает», «отравляется» ее
ускоритель. Добавить побольше «бодрящего вещест-
ва» — значит изменить условия теплопередачи в кон-
тактном аппарате (реактор так называется потому,
295
что именно в нем реагенты и катализатор приходят
в соприкосновение).
Какое количество катализатора наиболее рацио-
нально?
А как подобрать самое подходящее сочетание
всех условий процесса? Да так, чтобы и экономика
и техника безопасности не были в претензии? Ины-
ми словами, как нащупать оптимальный режим с оп-
ределенным допускехМ отклонений в ту или иную сто-
рону?
Целый клубок вопросов, где тесно переплелись
разноречивые желания и возможности, требования
и ограничения!
Нет ничего удивительного, что по завершении
строительства крупных промышленных объектов
иногда вдруг новая установка начинает капризни-
чать, а то и вовсе объявляет забастовку. На укро-
щение строптивой приходится терять время, ставить
бесчисленные опыты в нервозной атмосфере, когда
завод стоит, ожидая устранения недоделок. Недоде-
лок? Если бы это было так! Ведь предварительные
эксперименты были проведены со всей тщательно-
стью. Установка на всех предшествующих этапах
проверена и перепроверена. И вот — надо же! — та-
кая незадача...
Как же так? Неужели теория спасовала перед
практикой? Разве не говорилось о том, сколь огром-
ны достижения науки в изучении химической кине-
тики и теплофизики? Неужели нет такого катализа-
тора, который ускорил бы процесс перехода от ла-
бораторной модели к безотказно действующему за-
водскому аппарату?
Есть! Математическое моделирование.
Ж
Цифры вместо интуиции. Эта эпоха уже на-
стала.
Еще в тридцатые годы, когда академик Курнаков
в окружении многочисленных исследователей совер-
шенствовал свою топологическую химию, появились
научные работы совершенно нового направления
в математической химии. Их автором был молодой
ученый Георгий Боресков, ныне член-корреспондент
АН СССР. Он сформулировал и решил первые за-
дачи по математическому моделированию химических
процессов. Теоретически рассчитывать промышлен-
ные реакторы, не строя полупромышленных устано-
вок, исходя лишь из экспериментов в пробирках...
Это противоречило всему конструкторскому опыту
в химической технологии. О таком не слыхивали да-
же крупнейшие зарубежные специалисты, помогав-
шие Стране Советов создавать химические, комбина-
ты в Березниках, Дзержинске, в Кузбассе и Донбас-
се. Да и наши ученые скептически отнеслись тогда
к новым идеям. Слишком уж громоздким оказывался
математический аппарат при анализе самых про-
стеньких процессов. И хотя работы Борескова имели
теоретический интерес, с точки зрения практической
они считались бесперспективными.
А теперь...
«В 1963 году, — заявил президент нашей акаде-
мии Мстислав Всеволодович Келдыш, — получены
первые результаты методов физического и математи-
ческого моделирования к расчету некоторых химико-
технологических процессов, что сокращает сроки пе-
рехода от лабораторных опытов к промышленной
297
реализации процессов. Эта проблема настолько
важна, что в предстоящем году на ней должны быть
сосредоточены усилия и химиков, и физиков, и ма-
тематиков».
Мыслимое ли дело — проводить технологический
процесс без контактного аппарата? Даже без самих
веществ — непосредственных участников химическо-
го процесса?
Мыслимое. Просто необходимое. Ибо иного, более
эффективного пути масштабного перехода пока что
попросту не дано.
Помните язык курнаковских чертежей и гипсовых
изваяний? Подобная «графика» и «скульптура» —
тоже математическое моделирование. Там по диа-
грамме можно было проследить, как меняются свой-
ства системы в зависимости от ее состава. Здесь мо-
делью служит набор математических уравнений,
описывающих химические и физические процессы
в аппарате. Разумеется, без экспериментов с колбами
и пробирками не обойтись и здесь.
Но вот что самое интересное: лабораторная уста-
новка вовсе не обязана быть моделью заводского
аппарата! Таковой служит именно система матема-
тических уравнений. Странно, не правда ли?
Когда авиаконструкторы строят модель будуще-
го самолета, у них получается лилипут, как две кап-
ли воды схожий с Гулливером. Чертежи одни. Толь-
ко масштабы разные. Так поступали раньше и хи-
мики. Они старались в миниатюре воссоздать про-
мышленный реактор. И максимально приблизиться
к реальным условиям его работы. Дескать, чем точ-
нее маленькая копия, тем совершенней большой ори-
гинал, А оказалось наоборот.
m
Вместо копирования реальной обстановки необ-
ходимо создать идеальные условия чистого химиче-
ского эксперимента. Ибо только так можно устра-
нить помехи при изучении химизма реакции. Иначе
теплофизические и гидродинамические факторы, на-
кладываясь на кинетические закономерности, могут
настолько усложнить картину процесса, что выясне-
ние его тонкой механики станет неосуществимым.
1Эта фундаментальная идея, высказанная
в 1958 году Георгием Константиновичем Борес-
ковым и Михаилом Гавриловичем Слинько, —
один из краеугольных камней математического
моделирования.
Но вот изучена кинетика химических реакций со
всеми «драматическими коллизиями»: промежуточ-
ными стадиями, побочными продуктами и, что осо-
бенно важно, скоростями взаимных превращений
веществ. Как же теперь учесть чисто физические
стороны явления?
А учесть надо многое: как переносится тепло вме-
сте с веществами, как оно передается стенкам сосу-
да и катализатору, как его отводить или подводить.
Как и для модели самолета, очень важно знать
гидродинамические характеристики потока.
Все это уже выяснено физиками для подавляю-
щего большинства практически важных процессов.
Зачастую можно воспользоваться готовыми уравне-
ниями.
Осталось совместить физические и химические за-
299
кономерности, чтобы перенести их в условия круп-
ного масштаба. Как показал Слинько, такая «про-
екция» не по плечу теории подобия, хотя она верой
и правдой служит авиаконструкторам. И единствен-
ный выход из положения — математическое модели-
рование.
Модель аппарата нельзя потрогать. Она незрима
и невесома. Если можно так выразиться, это матема-
тический сценарий, где вместо действующих лиц —
переменные величины, связанные определенными за-
кономерностями. В нем воедино сливаются химиче-
ские и физические закономерности. Как же теперь
поставить спектакль?
Если посадить за стол многолюдную группу са-
мых смекалистых математиков и поручить им с ка-
рандашом в руках проанализировать и решить вы-
веденные уравнения, на такую работу уйдет не один
год. Вот почему этот путь был практически закрыт
перед химией до появления вычислительных машин.
Электронный мозг поднял шлагбаумы перед
математическим моделированием.
300
С октября 1962 в Институте катализа Сибирско-
го отделения АН СССР, где директором Боресков
(его заместитель Слинько), установлена аналоговая
вычислительная машина «МН-Г4». Заметьте: не в ма-
тематическом, а в химическом институте!
Аналоговой ее нарекли потому, что в своей рабо-
те она опирается на аналогию (сходство) между фи-
зико-химическими явлениями в контактном аппарате
и процессами в ее радиоэлектронных схемах.
При решении кинетических, теплофизических
и гидродинамических уравнений приходится склады-
вать, вычитать, умножать, делить разные величины.
Эти арифметические операции аналоговая машина
проделывает не с цифрами, а с электрическим напря-
жением. Она горазда и в высшей математике. На-
пример, умеет интегрировать.
Интегратор. Звучит загадочно и громко. А это
всего-навсего конденсатор, соединенный с сопротив-
лением. Интегрирование дифференциальных уравне-
ний. Тоже звучит! Но хими-
ка уже не испугаешь такой
терминологией. Он научился
манипулировать сложной
вычислительной техникой,
способной в минуту распра-
виться с уравнением, кото-
рое раньше вселяло ужас
даже в бывалого матема-
тика.
В радиометрических ла-
бораториях есть такие при-
боры— счетчики Гейгера —
Мюллера. Они измеряют
301
скорость распада радиоактивных изотопов. Гамма-
кванты, или элементарные частицы, испускае-
мые ядром, вызывают разряд конденсатора. Каждый
такой разряд регистрируется электронной схемой.
Схема может быть дифференциальной. Или интег-
ральной.
В первом случае дрожащая стрелка указывает на
шкале прибора количество электрических импульсов
в секунду. Это скорость распада в каждый данный мо-
мент. Примерно так же по шкале спидометра вы мо-
жете каждую секунду следить за изменением скоро-
сти автомобиля. А в конце поездки из показаний
спидометра узнать, сколько километров проехал ав-
томобиль за какой-то отрезок времени. Это уже ин-
тегральная схема. Только в радиометрическом при-
боре вместо километража — сумма импульсов за
определенный период.
Число импульсов в секунду — дифференциаль-
ная величина. Она колеблется от момента к момен-
ту около какого-то статистического среднего значе-
ния. А это среднее значение изменяется по опреде-
ленному закону. Кинетическое уравнение подобного
процесса напоминает выражение для скорости такой,
например,, реакции: —>2J. Оно выглядит несложно:
V = К] [J2], или в общем случае V = кс.
de
А в дифференциальной форме так: = — «с.
Здесь с — концентрация радиоактивного препарата
или молекул йода.
Очевидно, скорость распада уменьшается, по ме-
ре того как убывает концентрация исходного веще-
ства. Поэтому коэффициент к взят со знаком «ми-
302
нус». Чтобы найти, сколько распавшихся атомов
образовалось к какому-то моменту времени, нам на-
до проинтегрировать это дифференциальное уравне-
ние. Грубо говоря, просуммировать все значения пе-
ременной величины с за все моменты времени. Та-
кие операции и выполняет интегратор.
Интегрируемая функция поступает на выход бло-
ка в виде напряжения, которое изменяется во време-
ни так же, как и концентрации реагентов. Интегри-
рующим элементом служит конденсатор, на котором
постепенно накапливается заряд. На выходе схемы
мы получим ток с другими характеристиками. Он
и будет нашим электронным «километражем» — ин-
тегралом.
Математика химической кинетики сводится, как
правило, к решению дифференциальных уравнений.
Машина способна решать их, варьируя значения кон-
центраций, температур, давлений и прочих парамет-
ров процесса. Именно «значения». Ибо самих ве-
ществ, самого тепла, самого сжатия нет. Есть только
напряжение тока.
Так электронная машина «превращается» в ап-
парат. И не просто в аппарат. Ведь у подлинного
реактора жесткие стенки да еще из дефицитных ма-
териалов. Менять его форму — значит заказывать
новые металлические детали, потом сваривать их
и свинчивать вместе. Между тем реактор для полу-
чения, скажем, серной кислоты — это махина ростом
в два с половиной метра да столько же в обхвате.
А машина моделирует аппарат с непрерывно изме-
няемыми размерами и формой.
На аналоговых машинах типа «МН-14» легко
варьировать не только форму «сцены», где разверты-
303
вается действие химических и физических сил, но
также «декорации» и характеристики «действующих
лиц» — все параметры технологического процесса,
причем одновременно.
Собственно, никакого всамделишного химического
процесса нет и в помине — точь-в-точь как в театре,
где вместо реальных людей перед зрителем живут
и умирают актеры, да и сам аппарат не менее при-
зрачен, чем мнимая фигура Монжа-Бертолле. Толь-
ко перемигиваются лампочки на панели «МН-14»,
спешат-торопятся электронные импульсы по всем
45 километрам ее проводов, срабатывают 8 тысяч ее
полупроводниковых диодов и триодов да 3100 радио-
ламп... Но когда вы поворачиваете ручку настройки,
знайте: вы меняете какой-то параметр, ну, к приме-
ру, условия теплопередачи. И тотчас зеленоватые
зигзаги на экране осциллографа оповещают нас, что
«горячее пятно» в невидимом чреве аппарата стало
еще горячее, значит продукты реакции вот-вот раз-
несут вдребезги всю линию технологического цикла;
или наоборот: пятно остывает, процесс того и гля-
ди замрет.
Именно так на «МН-14» Институтом катализа
был опробован новый метод получения из метилово-
го спирта формальдегида — важного полупродукта
в производстве полимеров. Три-четыре дня работы
машины — и перед химиками-математиками лежа-
ли готовые результаты. Вместе с лабораторными ис-
следованиями все это заняло меньше четырех ме-
сяцев. Расчеты сразу же были переданы в конструк-
торское бюро для проектирования заводского кон-
тактного аппарата.
Тем временем новосибирский химзавод парал-
304
лельно разрабатывал конструкцию обычным путем,
Монтаж, налаживание и пуск одной лишь опытной
установки отняли почти год Предстояла следующая
стадия — создание и освоение полупромышленной
установки. Только после этого можно было присту-
пать к проектированию заводского аппарата. Сколь-
ко времени длилась бы эта томительная процедура,
если бы не химики-математики?
«Вместо пятнадцати лет за три года. Вот что
значит математическое моделирование, этот
чудесный катализатор большой химии.
Математическое моделирование химических про-
цессов на электронных машинах уже сегодня позво-
ляет сократить 10—15-летний путь от пробирки к за-
воду в пять раз. Это значит, в пять раз скорее про-
мышленность может получить пластмассовые детали,
сельское хозяйство — удобрения и ядохимикаты. Это
значит, во много раз ускорить выполнение гран-
диозных планов по развертыванию строек боль-
шой химии и ее ударного фронта — химии пло-
дородия.
Летом 1963 года в Новосибирске проходила
1-я Всесоюзная конференция, посвященная модели-
рованию химических процессов. Это был настоящий
форум молодости. И не только потому, что средний
возраст большинства ученых в Академгородке —
25—30 лет. Сами идеи были под стать участникам —
юны, свежи, озорны. Сколько раз с трибуны в зал
смотрели проницательные и вдохновенные глаза
Монжа-Бертолле!
20 Л. Бобров
305
Одним из самых активных участников конферен-
ции был младший научный сотрудник Института
катализа Владимир Бесков. Химик, одержимый ма-
тематическими идеями, он регулярно выступает
и в местной печати как талантливый популяризатор.
«Современный технолог должен хорошо владеть
математикой, — пишет и доказывает собственным
примером Владимир Бесков, — должен знать мате-
матический анализ и современную вычислительную
математику, вариационное исчисление и динамиче-
ское программирование, аппарат математической
физики и методы теории автоматического регулиро-
вания».
Побольше бы нашей химии таких энтузиастов!
Подумать только: уж если в неторопливую эпоху
от Бертолле до Курнакова союз химии и математики
принес богатые плоды, го что будет сейчас, когда
на дворе XX век — стремительный в своем электрон-
ном быстродействии! Какие сдвиги сулит математика
народному хозяйству!
Институтом катализа совместно с Научно-иссле-
довательским институтом мономеров синтетического
каучука был рассчитан на электронных машинах
новый оптимальный режим для получения дивинила
из бутилена. Он позволяет повысить выход чуть ли
не в два раза и снизить стоимость продукции. Ре-
зультаты расчетов убедительно доказали, что необ-
ходимо в корне переделать спроектированный обыч-
ным способом реактор для дегидрирования бутана.
Да, переделать! Ибо эти рекомендации исходят
от умной машины, которая, как это ни грустно для
человеческого сознания, оказалась более предусмот-
рительной, более проницательной и смекалистой.
306
В настоящее время Институт катализа и Инсти-
тут математики Сибирского отделения АН СССР
располагают рядом типовых программ для расчета
химических аппаратов. Но этого мало! Нужна целая
библиотека стандартных математических моделей
и совершенных программ.
— У нас, — говорит Боресков, — уже рассчитаны
или рассчитываются оптимальные конструкции кон-
тактных аппаратов и оптимальные режимы работы
для многих процессов: производства серной кислоты,
аммиака, окисления этилена, синтеза высших спиртов
из окиси углерода и водорода, дегидрирование бути-
лена, получение нитрила акриловой кислоты.
Малопонятные словосочетания, что поделаешь.
Но это новые цехи по производству удобрений,
ядохимикатов, каучука, пластмасс, красителей, меди-
каментов. И не просто новые, а работающие с более
высокой производительностью и низкой себестоимо-
стью, чем прежние, созданные без участия электрон-
ных консультантов. Нужно ли говорить, что значит
каждый процент экономии в условиях гигантского
размаха, который приняло у нас строительство пред-
приятий большой химии?
Серная кислота. Хлеб современной химии. Трудно
назвать химический процесс, где бы не участвовал
этот важный продукт. Современная технология сер-
нокислотного производства отрабатывалась более по-
лувека. Казалось бы, здесь нет места усовершенство-
ваниям. Но вот за дело принялась группа химиков
нашего института и математиков вычислительного
центра. Решалась сложная задача: сколько слоев
и какое количество катализатора наиболее выгодны?
Какова должна быть температура между слоями?
20*
307
Предстояло определить также степень превращения
веществ на всех стадиях.
Систему уравнений вручили электронной машине.
Она расправилась с ними за десять минут. И что же?
Три процента. Настолько возрастет выпуск продук-
ции, если перейти на рассчитанный нами оптималь-
ный режим. Три процента — много или мало? Это
равносильно сооружению нескольких новых заводов,
и довольно крупных. А достигается такая экономия
без всяких дополнительных затрат!
И это далеко не единственная иллюстрация огром-
ных возможностей, которые несет в себе машинная
математизация самой революционной науки нашего
времени.
Полиэтилен. Король пластиков. И одновременно
чернорабочий — мастер на все руки. Ему отведена
львиная доля в производстве полимеров в самые бли-
жайшие годы. А получается он пока что не самым
совершенным способом. Процесс состоит из много-
численных стадий. И очень трудоемок. Между тем
именно математическое моделирование показало, что
его можно существенно упростить. Разработан ориги-
нальный метод суспензионной полимеризации, кото-
рый позволяет безболезненно отказаться от двух
стадий производства: предварительной очистки раст-
ворителя и последующего отделения растворителя от
полимера. Новый способ успешно испытывается
в Баку.
Сбережение человеческих сил и материальных
средств, энергии и времени. Какой рачительный про-
изводственник этого не желает! Однако математиче-
ские расчеты так и останутся стопкой бумаги с на-
бором символических цифр, пока за дело не возьмут-
308
ся проектировщики, чтобы облечь абстрактные схе-
мы и формулы в стальную и бетонную плоть.
Прискорбно, но факт: химия оказалась менее под-
готовленной к вторжению электронных машин, чем
другие области техники и технологии. Отчасти такое
положение объясняется отсутствием специальных
кадров. Особенно остро ощущается этот недостаток
в Сибири.
Вузы страны каждый год выпускают математи-
ков-исследователей. Однако неутолима жажда нашей
науки, техники, промышленности. Стоит ли удивлять-
ся, что проблемами химии занимается так мало
математиков — раз, два, и обчелся?
Спрашивается, а разве химические вузы не могли
бы готовить кадры по профилю «математическая
химия»?
От желающих идти в химию нынче отбоя нет.
Только почему-то многие мыслят свое будущее ме-
сто в химии довольно однобоко. Восемь-девять из
десяти намерены стать инженерами-химиками. Не-
пременно. И не иначе, как на гигантском химическом
комбинате. А ученым-исследователем? И не на капи-
танском мостике в цехе, а в стеклянном царстве ла-
боратории под боком у умных машин?
Спросите у школьников: хотят ли они пойти
в математическую химию? В ответ почти наверняка
воцарится робкое молчание. Нет, не потому, что не
хотят. Потому что, как правило, просто не знают,
о чем речь.
Топологическая химия. Квантовая химия и био-
логия. Передовые эшелоны широкого фронта хими-
ческих исследований. Они ждут своих новобранцев.
Спору нет, увлекательно работать в новой обла-
309
сти, где сошлись пути двух древних наук, где перед
творческой инициативой открываются широчайшие
горизонты. Непочатый край исследований» результа-
ты которых с нетерпением ждет страна. Тысячи мо-
лодых специалистов-химиков приходят ежегодно в на-
ши исследовательские лаборатории. Какой-то процент
из них мог бы посвятить себя математической химии,
или, если угодно, химической математике.
Но дело не в названии. Современной химии нуж-
ны люди, грамотно разбирающиеся в машинной ма-
тематике.
। Химизация, умноженная на математизацию?
Скорейшему выполнению планов химизации спо-
собствуют именно математические методы, умножаю-
щие творческую мощь наших ученых и инженеров.
Они намного убыстряют внедрение новой химической
технологии.
До 1980 года осталось ровно пятнадцать лет.
Как раз тот интервал времени, в какой укладывает-
ся обычно цикл работ по созданию промышленного
химического аппарата. Но ведь этот срок можно со-
кратить раз в пять с помощью математического мо-
делирования! Так что у химии есть все возможности
приблизить эпоху коммунизма.
Широкое наступление химии требует от ученых
и инженеров не только разрабатывать новую техно-
логию. Необходимо эффективное управление произ-
водственными процессами.
Химическое производство — непрерывный поток.
Малейшее нарушение режима в одном из звеньев
310
моментально сказывается па состоянии всей техно-
логической цепочки разом, начиная с загрузки сырья
и кончая выпуском готовой продукции. Приходится
внимательно следить за работой каждого агрегата
в отдельности. И всей их совокупности, конечно.
А это не так просто.
Огромны пульты управления современных хими-
ческих заводов. Нервно подрагивают стрелки прибо-
ров, дергаются по меланхолично ползущим бумаж-
ным лентам перья самописцев, то гаснут, то вспыхи-
вают сигнальные лампы и световые табло — попро-
буй уследи за всеми показаниями разом! Человек
может устать, отвлечься, заболеть — да мало ли
случайностей подстерегает рулевых большого заво-
да! И даже в том случае, когда тревожный вой си-
рены возвещает об опасности, скорость реакции че-
ловеческого организма па сигнал может оказаться
недостаточной. Вот вам и авария...
Глаз — самый быстродействующий аппарат изо
всех органов чувств. Однако и он не в состоянии от-
личить один предмет от другого, если они сменяются
чаще чем пять раз в секунду. А сигналы на контроль-
ном щите иногда чередуются гораздо скорее — ведь
их так много! У оператора порой в глазах рябит при
взгляде на приборную доску.
Всего четверть секунды требуется хорошо трени-
рованному пилоту, чтобы отреагировать па упреж-
дающий сигнал прибора. А за это время реактив-
ный самолет пролетает 150 метров. Контактный ап-
парат вырабатывает десятки килограммов серной
кислоты.
Да, у нервной системы есть свой потолок скоро-
стей, выше которого не прыгнешь, как бы ты ни был
311
опытен и скор. Между тем малейшая неточность —
и государство несет миллионные убытки.
Впрочем, даже при безаварийной работе диспет-
черу очень трудно подбирать наиболее выгодные па-
раметры технологического режима. Придя на работу,
оператор за несколько минут усвоит лишь самое
главное из тех сведений о состоянии процесса, кото-
рые накапливались у предыдущей смены. Новая сме-
на не сразу освоится с ситуацией и лишь неполное
время сможет вести процесс в оптимальных рамках.
Да и сумеет ли вообще дежурный мастер подобрать
оптимальный режим? Мозг не справляется в доста-
точно короткое время с огромным потоком информа-
ции, хлещущим со шкал многочисленных сигнализа-
торов. Нужны феноменальная память и молниенос-
ная сообразительность, чтобы быстро перепробовать
всевозможные варианты и выбрать из них наи-
лучший.
Такую «память и сообразительность» имеют элек-
тронные машины.
На большом нефтеперегонном заводе за показа-
ниями приборов следят сотни операторов. Всех их
может заменить одна электронно-вычислительная ма-
шина. Но даже тысячи операторов не заменят эту
машину.
Самое большее, на что способен весь дежурный
персонал, — это устойчиво поддерживать заранее
заданный режим. «Электронный мозг» умеет непре-
рывно регулировать процесс так, чтобы он, несмотря
ни на какие изменения, шел в наиболее выгодном
режиме.
Делается это так. В блок памяти вводится про-
грамма с математическим описанием технологическо-
312
го процесса. Показания приборов, переведенные
в форму электрических импульсов, поступают с кон-
трольных точек завода в машину. Эти сигналы срав-
ниваются с теми требованиями, которые записаны
(тоже в виде импульсов) на магнитных лентах или
других запоминающих устройствах. Совпадение тех
и других оставляет машину безучастной. Если же
обнаружилось расхождение, в мгновение ока на вы-
ход поступают управляющие сигналы. Они приводят
в действие исполнительные механизмы, которые тут
же изменяют в нужном направлении давление, влаж-
ность, температуру или скорость потока.
Так машина поддерживает стационарный, зара-
нее заданный режим. Но она может и нарушать его!
Если у нее в памяти есть еще и программа оптими-
зации.
Активность катализатора со временем падает.
Выход продукта тоже. Как же быть?
Поначалу машина самостоятельно пробует, на-
пример, повысить давление. Это немедленно сказы-
вается на состоянии всей технологической схемы.
Выждав секунду-другую, машина накапливает ин-
формацию. Затем она стремительно анализирует си-
туацию. Ага, выход продукта повысился! Значит, на-
до и дальше увеличивать давление в аппарате. Так
продолжается до тех пор, пока не будет найдено
наилучшее значение параметра. Зате.м машина на-
чинает изменять температуру, расход и так далее.
Сигналы с контрольных постов непрерывно сверяют-
ся логическим узлом с заданной программой. Так
подыскивается новый режим, самый экономичный из
всех возможных.
Конечно, не всегда проста зависимость произво-
313
дительности от величины параметра. Мы уже знаем,
что при низких температурах синтез аммиака практи-
чески не идет. А при нагревании равновесие сме-
щается так, что выход продуктов уменьшается.
Но машина способна варьировать и противоречивые
параметры, запоминая наилучшие их комбинации.
Правда, не для всех технологических процессов
имеются достаточно полные математические описа-
ния. Да и составлять их не легко. Не беда: можно
создать самонастраивающиеся системы автоматиче-
ского управления. Они будут работать по неполной
программе, накапливая опыт, запоминая удачные
сочетания условий и забывая остальные.
Для заводов синтетического каучука у нас по-
строена электронная машина «Марс-300». Она пред-
назначена для централизованной инспекции сразу
по тремстам точкам технологической линии. Все
данные регистрируются машиной за полминуты.
Результаты осмотра поступают на выход в чис-
ловой форме. При отклонениях от стабильного ре-
жима начинает моргать красный глазок на панели
вычислительного устройства.
Основные функции «Марса-300» контрольные.
Но машина способна выполнять также и некоторые
операции управления — пуск, остановка, защита
при взрывах.
На Новомосковском химкомбинате завершается
комплексная автоматизация аммиачных цехов. Вся
информация многочисленных агрегатов будет обра-
батываться электронно-вычислительной машиной.
Пять минут на размышление — и вывод готов: как
и где подправить процесс, чтобы себестоимость оста-
валась минимальной (экономический оптимум) или
314
выход продуктов был максимальным (оптимум тех-
нологический). Оба значения могут не совпадать.
Например, увеличение давления с целью увеличить
выход продукта потребует большего расхода элек-
троэнергии на вращение моторов компрессоров.
А из-за этого может подпрыгнуть вверх значение
себестоимости. Но все зависит от программы, вло-
женной в машину. Она будет точно и беспрекослов-
но выполнять предписание человека.
Машина эта не простая. Самопрограммирующая,
Она по ходу дела вносит коррективы в первоначаль-
ную программу, подлаживаясь к особенностям тех-
нологического процесса и подгоняя его параметры
к наивыгоднейшему сочетанию. Подсчитано, что
«электронные администраторы» только на Новомо-
сковском комбинате обеспечат ежегодную экономию
в миллион рублей.
Изучая профессиональный состав кадров в хими-
ческой промышленности, статистика выяснила, что
до половины заводского персонала занято на таких
операциях, которые можно автоматизировать. А нуж-
да в специалистах-химиках растет с каждым годом.
Вот почему проблема автоматизации становится осо-
бенно актуальной.
Автоматический анализатор, • обслуживаемый од-
ним человеком, заменяет два десятка лаборантов.
Представляете, сколько резервов рабочей силы вы-
свободят подобные приборы в сочетании с электрон-
ными машинами?
Далее. Чем устойчивей режим, тем долговечнее
оборудование. И тем меньше потребность в ремонт-
никах. Мгновенная корректировка технологического
процесса по плечу лишь машинам. Только с их по-
315
мощью удается свести пульсации на нет. Так стаби-
лизация режимов «сокращает штаты», увеличивая
число рабочих рук для других видов труда в хими-
ческой промышленности.
И это не все. Автоматический контроль и машин-
ное регулирование несут с собой в химию скорость.
В самом деле: раньше химическая аппаратура строи-
лась в расчете на ограниченные возможности ручно-
го управления. Сейчас эти ограничения снимаются.
Быстродействующие электронно-вычислительные уст-
ройства могут регулировать самые стремительные
процессы. Даже если они неравновесные. Марков-
ские. Значит, можно использовать цепные реакции
горения и взрыва! Так электронная техника делает
реальным прогноз академика Трапезникова. Химии
быстрой, химии горячей — быть!
Математика и кибернетика распахивают перед хи-
мией неохватные горизонты.
| В гостях у Монжа-Бертолле.
...Огромный заводской цех. Впрочем, это уже
и не цех в обычном смысле слова. У него нет стен.
Нет крыши. Да и зачем они? Компрессоры, насосы,
колонны синтеза, скрубберы, газгольдеры, трубы не
боятся дождя. Им не страшен рыжий бич метал-
лов — ржавчина, ибо они сделаны из прочных и жа-
ростойких полимеров. Сквозь прозрачные стенки вид-
но, как в одних реакторах бушует пламя. В других
процессы идут при обычной температуре. Но с не-
обычной скоростью и производительностью. Ведь
в них работают катализаторы, напоминающие фер-
менты!
316
Завод не имеет дымовых труб. Здесь нет нп газо-
образных, ни жидких отходов. Они полностью утили-
зированы. То, что нужно для процесса, возвращено
в технологическую схему. Остатки поступают на
склад. Это сырье для других цехов.
Вокруг нп души. Лишь кое-где на заводском дво-
ре маячат редкие фигуры в белых халатах. Это ра-
бочие, занятые на тех операциях, автоматизация ко-
торых пока неосуществима.
Вместо многоэтажного административного корпу-
са — небольшая будка, похожая на трансформатор-
ную. Но не ищите в ней электронных машин. Их здесь
нет. Они за тридевять земель —в крупном вычисли-
тельном центре. Оттуда осуществляется контроль
сразу за десятками заводов. В будке собраны лишь
самые необходимые приемные устройства и переклю-
чатели, которые служат посредниками между далекой
машиной и исполнительными органами механизмов.
Над складскими помещениями простерта прозрач-
ная пленка. Это гибкая полупроводниковая электро-
станция. Ток, возбужденный солнечным светом, на-
капливается в аккумуляторах, чтобы непрерывно
вращать электромоторы.
Завод сравнительно небольшой. Но производи-
тельность его колоссальна. День и ночь из бункеров
в непрерывно подходящие составы ссыпаются сотни
и тысячи тонн готовой продукции. А сырье? Оно по-
ступает из расположенного рядом большого солено-
го озера.
На воротах большие буквы: «Химический завод
им. Н. С. Курнакова». А ниже надпись помель-
че: «Спроектирован электронными машинами
в 198... году».
317
Последнюю цифру трудно разобрать: на нее пада-
ет тень от густой листвы. Деревья буйно разрослись
вокруг и внутри заводского двора. Завод-сад, бес-
шумный, бездымный, безлюдный, без устали несет
трудовую вахту на благо народа, построившего ком-
мунизм...
А неподалеку от завода раскинулись современ-
ные корпуса исследовательских лабораторий. Свер-
кающая лента асфальта бежит к большой человече-
ской фигуре, одиноко стоящей перед входом. Он
смотрит строго, пряча улыбку в бронзовые усы, пу-
шистые гренадерские усы создателя химической то-
пологии. Табличка над дверьми гласит: «Институт
математической химии АН СССР имени Монжа-Бер-
толле». О, это будет мечта каждого журналиста —
посетить такой институт. Разумеется, никто из та-
318
мошних брюнетов не будет носить парннов, а блон-
дины не станут распускать по ветру свои белокурые
локоны, Но из-под современных причесок па вас нет-
нет да и посмотрят черные ли, голубые ли, но, ей-бо-
гу, вдохновенные глаза Монжа-Бертолле — удиви-
тельного своей символичностью образа, порожден-
ного фантазией народа*
ОГЛАВЛЕНИЕ
На перекрестке старых дорог ... 5
Глава 1
Наследие призрака? И
Глава 2
В мире странных архитектур . . . Ill
Глава 3
Необыкновенная связь.................191
Глава 4
«...Где дышит интеграл»..............253
Бобров Лев Викторович
ГЛАЗАМИ МОНЖА-БЕРТОЛЛЕ. М., «Молодая
гвардия», 1964.
320 с., с илл. 54
Редактор Л. Антонюк
Художественный редактор Г. Позин
Технический редактор И. Егорова
А08084. Подп. к печ. 3/ХП 1964 г. Бум. 70Х108'/яг.
Теч. л. 10(13,7). Уч.-изд. л. 12,3. Тираж 42 000 экз.
Заказ 1489. Цена 47 коп. Б. 3. Ха 59, 1964 г., п. 4.
Типография «Красное знамя» изд-ва «Молодая
гвардия». Москва, А-30, Сущевская, 21.
МОЛОДАЯ ГЕЛРДИЯ
л. вобров Глазами Монжа - Бертолле