Занимательно о химии - Власов Лев Григорьевич

Но удивление учителя и ученика возросло еще боле, когда таинственные кристаллы подвергли химическому анализу. Действительно, было чему поражаться: кристаллы содержали углерод, водород и… железо. Типичный переходный металл железо «запросто» объединился с типичными органическими веществами.

И формула этого железоорганического соединения оказалась необычной:

Оба кольца (циклопентадиены) — правильные плоские пятиугольники. Они словно два ломтя хлеба, между которыми вложена «закуска» — атом железа. Такого рода соединения называют «Сандвичевыми» (так как их строение напоминает английский сандвич).

Ферроцен (это имя дали нашему железоорганическому соединению) стал первым представителем семейства «сандвичевых».

Строение ферроцена мы для простоты изобразили сугубо схематично в одной плоскости; в действительности же его молекула имеет более сложную пространственную структуру.

Синтез ферроцена оказался одной из крупнейших сенсаций в современной химии. И теоретикам и практикам пришлось пересмотреть многие считавшиеся незыблемыми представления о возможностях металлоорганики.

Ферроцен родился в 1951 году. Ныне же таких «ценов» несколько десятков. «Сандвичевые» соединения получены почти для всех переходных металлов.

Пока они представляют интерес для химиков-теоретиков. Что до практического использования, здесь еще много неясного. Однако…

Тут-то и наступает очередь познакомиться с ЦТМ.

Полное название этого вещества очень длинное, но легко запоминается, потому что звучит наподобие детской считалки:

И строение его молекулы нетрудно изобразить:

Просто вместо другого «куска хлеба» (циклопентадиенильного кольца) «закуска» (атом марганца) связана с тремя молекулами окиси углерода.

ЦТМ — прекрасный антидетонатор. Лучше нашего старого знакомца ТЭСа. И по своим рабочим характеристикам и потому еще, что почти безвреден. Он проходит всестороннюю практическую проверку. Уже мчатся грузовики с буквами ЦТМ на бензобаках.

Полная замена ТЭСа на ЦТМ, как подсчитали экономисты, может дать годовую экономию в 3 миллиарда рублей. Но это не самый главный выигрыш — здоровее и чище станет воздух наших городов.

Соединение совсем нехитрое. Всего один атом углерода и один кислорода. В быту называется угарным газом, в науке — окисью углерода. Весьма ядовито, в химические реакции вступает неохотно — вот краткая характеристика вещества с примитивной формулой CO.

…Так было или не совсем так, но в 1916 году на одном немецком химическом заводе произошло событие малоинтересное. Понадобился кому-то старый-престарый стальной баллон (в нем лет пять кряду под давлением хранили смесь двух газов — водорода и окиси углерода). Его вскрыли, газы выпустили, а на дне баллона обнаружили немного жидкости светло-коричневого цвета, с неприятным, каким-то «пыльным» запахом.

Оказалось, что жидкость эта — известное, но очень редкое химическое соединение атома железа с пятью молекулами угарного газа. Пентакарбонил железа Fe(CO) 5— так именовалось оно в химических справочниках.

(Кстати, о судьбах научных открытий. Пентакарбонил железа в один и тот же день — 15 июня 1891 года — получили двое ученых: Бертло во Франции и Монд в Англии. Право, такие совпадения встречаются не столь уж часто.)

Разобрались, как возникло вещество в баллоне. Здесь не было ничего сверхъестественного. Водород сделал внутреннюю железную поверхность вместилища чрезвычайно активной, восстановив окислы железа до металла. Угарный газ, находясь под давлением, прореагировал с железом. Изучив механизм реакции, химики на этом же заводе сконструировали аппарат, в котором можно было получать килограммы вещества.

Дело в том, что пентакарбонил оказался нужным для практики. Он неплохо зарекомендовал себя в качестве антидетонатора (прямо скажем, везет нам на них!). Было даже создано специальное горючее с добавкой пентакарбонила железа — так называемый моталин. Но недолго проездили автомобили на моталине. Пентакарбонил слишком легко разлагался на составные части, и железный порошок забивал поршневые кольца двигателей. А тут еще подоспело открытие ТЭСа…

Отметим про себя легкость разложения пентакарбонила железа и обратимся на время к проблемам несколько иного плана.

Карбонилов теперь известно множество: для хрома и молибдена, вольфрама и урана, кобальта и никеля, марганца и рения. По свойствам эти соединения различаются: одни — жидкости, другие — твердые тела; одни — неустойчивы, другие, напротив, достаточно прочны.

Но есть у них одно общее и весьма любопытное качество: обычные представления о валентности неприменимы для объяснения строения карбонилов.

Вспомните: в комплексных соединениях к ионам металлов присоединяются нейтральные молекулы, притом в различном количестве. Поэтому в химии комплексных соединений пользуются понятием не валентности, а координационного числа. Оно показывает, сколько молекул, атомов или сложных ионов связано с центральным атомом.

Карбонилы еще более своеобразные плоды выдумки природы. В них с нейтральными молекулами связаны нейтральные атомы. Валентность металлов в этих соединениях приходится считать равной нулю! Ведь окись углерода — нейтральная молекула.

Вот еще один из парадоксов химии, и, признаться, он до сих пор не имеет строгого теоретического объяснения.

На этом мы закончим маленький теоретический экскурс.

Карбонилы металлов оказались лакомым кусочком для практики.

Например, в роли катализаторов.

Но это амплуа карбонилов не самое главное. Есть кое-что и поважнее.

Вернемся еще раз на тот самый завод, на складе которого был найден старый баллон, на дне которого обнаружилась непонятная жидкость, которая оказалась пентакарбонилом железа, который…

«Который», словом, начали получать чуть ли не в промышленном масштабе. Но вот однажды рабочий, приставленный к аппарату синтеза, замечтался, и началась утечка пентакарбонила. Пары вещества оседали на стальной лист, лежавший неподалеку. Рабочий, наконец, обнаружил аварию и быстро ее ликвидировал, нечаянно столкнув лист в пролет здания.

Охотничья байка гласит: «Раз в год и палка стреляет». Стальной лист, мирно лежавший на солнце, упав вниз, взорвался.

Специальная «комиссия по расследованию» провела не одно заседание, прежде чем эксперты констатировали: лист «взорвался» потому, что был покрыт чрезвычайно мелким порошком железа. Всякие измельченные порошки вообще склонны к взрыву — взрывает, например, мучная пыль, сахарная пудра.

Железный порошок на листе образовался в результате разложения пентакарбонила.

Приготовление мельчайших металлических порошков путем разложения карбонилов металлов чрезвычайно заинтересовало ученых.

Они выяснили, что такие порошки отличаются весьма своеобразными свойствами. Размеры их частиц исключительно малы, чуть более микрона. Например, порошок железа можно получить в виде пышной железной «ваты», состоящей из прочных металлических цепочек.

Укладываясь на горячей поверхности, карбонилы образуют на ней весьма прочную и тонкую пленку. И при всем этом порошки и пленки обладают ценнейшими магнитными и электрическими свойствами, что открыло им широкую дорогу в радиотехнику и электронику.

Карбонильные порошки привлекательны и для порошковой металлургии.

Они оба — сложнейшие органические вещества. Чтобы изобразить их структурные формулы, понадобилась бы целая страница в нашей книжке. Оба они комплексные соединения, притом необычные: единственный атом металла славно затерялся в центре сложного ажурного каркаса, состоящего из нескольких циклов. Химики называют такие соединения внутрикомплексными.