Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. - Айзек Азимов

Получение новых и более мощных по сравнению с черным порохом (изобретенным более пяти столетий назад) взрывчатых веществ в конце XIX в. положило начало гонке вооружений. Его применение для военных целей, как и разработка отравляющих газов во время первой мировой войны, отчетливо продемонстрировало, что задачи науки можно извратить и заставить ее служить целям разрушения. Еще более наглядный урок преподало изобретение самолета и в конечном счете ядерного оружия (см. гл. 14). Наука, которая до конца XIX в. казалась средством создания на земле утопии, стала служить уничтожению.

Полимеры

Однако существует много направлений, позволяющих использовать молекулы-гиганты в мирных целях. Так, если полностью нитрованная целлюлоза — это взрывчатое вещество и может применяться только как таковое, то частично нитрованная целлюлоза (пироксилин) более безопасна в обращении, и ее можно применять не только в военных целях.

Американский изобретатель Джон Уэсли Хайятт (1837—1920), пытаясь завоевать приз, установленный за создание заменителя слоновой кости для биллиардных шаров, прежде всего обратил внимание именно на частично нитрованную целлюлозу. Он растворил ее в смеси спирта и эфира, добавил камфору, чтобы новое вещество легче было обрабатывать. К 1869 г. Хайятт получил то, что он назвал целлулоидом, и завоевал приз [99]. Целлулоид был первой синтетической пластмассой — материалом, который можно отливать в формы [100].

Однако, как выяснилось, частично нитрованную целлюлозу можно не только формовать в шары, но и вытягивать в волокна и пленки. Французский химик Луи Мари Гиляр Берниго, граф Шар-донне (1839—1924), получил такие волокна, продавливая раствор нитроцеллюлозы через тончайшие отверстия. Растворитель при этом почти сразу же испарялся.

Из полученных волокон можно было ткать материал, который своим блеском напоминал шелк. В 1884 г. Шардонне запатентовал полученный им искусственный шелк. Шардонне назвал эту ткань рейон — излучающая свет, так как ткань блестела и казалось, что она излучает свет.

Появлением пластмассовых пленок мы обязаны американскому изобретателю Джорджу Истмену (1854—1932). Истмен увлекался фотографией. Пытаясь упростить процесс проявления, он начал смешивать эмульсию соединений серебра с желатиной, чтобы сделать эту эмульсию сухой. Полученную таким образом смесь можно было хранить, а следовательно, и готовить впрок. В 1884 г. Истмен заменил стеклянные пластинки на целлулоидные.

Целлулоид невзрывоопасен, но он легко воспламеняется, что может быть причиной пожара, поэтому Истмен начал поиски менее горючих материалов. Когда в целлюлозу вместо нитрогрупп ввели ацетильные группы, полученный продукт остался столь же пластичным, как и нитроцеллюлоза, но он уже не был легко воспламеняющимся. С 1924 г. ацетилцеллюлозные пленки начали использовать в производстве кинофильмов, так как развивающаяся кинопромышленность особенно остро нуждалась в заменителе целлулоида.

Изучая высокомолекулярные природные соединения, химики рассчитывали не только получить их синтетические аналоги, но и открыть новые типы соединений. Одним из методов синтеза молекул-гигантов является полимеризация мономеров (мономер — вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами других веществ с образованием полимера).

Способ объединения мономеров в гигантскую молекулу можно пояснить хотя бы на примере этилена С2Н4. Напишем структурные формулы двух молекул этилена:

Представим себе, что атом водорода переместился из одной молекулы в другую, в результате в этой молекуле вместо двойной связи появилась свободная одинарная связь. Свободная связь появилась и у первой молекулы, из которой ушел водород. Поэтому эти две молекулы могут соединиться друг с другом.

Такая молекула содержит уже четыре углеродных атома и одну двойную связь, как и молекула исходного этилена. Следовательно, при взаимодействии этой молекулы с еще одной молекулой этилена также может произойти перемещение атома водорода и разрыв двойной связи. Образующаяся в результате молекула будет содержать шесть атомов углерода и одну двойную связь. Таким способом можно получить последовательно молекулу с восемью, десятью и более атомами углерода. Фактически так можно получать молекулы почти любой заданной длины.

Американский химик Лео Хендрик Бакеланд (1863—1944) искал заменитель шеллака — воскоподобного вещества, выделяемого некоторыми видами тропических насекомых. Для этой цели ему необходим был раствор клейкого дегтеобразного вещества. Бакеланд начал с того, что провел полимеризацию фенола и формальдегида и получил полимер, для которого не смог подобрать растворитель. Этот факт привел его к мысли, что такой твердый, практически нерастворимый и, как выяснилось, не проводящий электричество полимер может оказаться ценным материалом. Так, например, из него можно отливать детали, которые легко будет обрабатывать на станках. В 1909 г. Бакеланд сообщил о полученном им материале, который он назвал бакелит. Эта фенолформальдегидная смола была первой синтетической пластмассой [101], которая по ряду свойств осталась непревзойденной.

Нашли применение и синтетические волокна. Это направление возглавил американский химик Уоллес Хьюм Карозерс (1896—1937). Вместе с американским химиком Джулиусом Артуром Ньюлендом (1878—1936) он исследовал родственные каучуку [102]эластомеры. Результатом его работ было получение в 1932 г. неопрена — одного из синтетических каучуков [103].

Продолжая изучение полимеров, Карозерс попытался полимеризовать смесь диаминов и дикарбоновых кислот и получил волокнистый полимер. Длинные молекулы этого полимера содержат комбинации атомов, подобные пептидным связям (см. разд. «Белки») в белке шелка. Вытягивая эти волокна, получают то, что мы сегодня называем найлоном. Карозерс завершил эту работу буквально накануне преждевременной смерти. Разразившаяся вторая мировая война заставила химиков на время забыть об открытии Карозерса. Однако после окончания войны найлон начал вытеснять шелк и вскоре пришел ему на смену (в частности, в производстве чулочного трикотажа).

Первые синтетические полимеры были получены, как правило, случайно, методом проб и ошибок, поскольку и о строении молекул-гигантов, и о механизме полимеризации было в ту пору мало что известно. Первым за изучение строения полимеров взялся немецкий химик Герман Штаудингер (1881—1965) и сделал в этой области немало. Штаудингеру удалось раскрыть общий принцип построения многих высокомолекулярных природных и искусственных веществ и наметить пути их исследования и синтеза. Благодаря работам Штаудингера выяснилось, что присоединение мономеров друг к другу может происходить беспорядочно и приводить к образованию разветвленных цепей, прочность которых значительно ниже.

Начались интенсивные поиски способов получения линейных неразветвленных полимеров. И в 1953 г. немецкий химик Карл Циглер (1898—1973) открыл свой знаменитый титан-алюминиевый катализатор, на котором был получен полиэтилен с регулярной структурой.

Итальянский химик Джулио Натта (1903—1979) модифицировал катализатор Циглера и разработал метод получения нового класса синтетических высокомолекулярных соединений — стерео-регулярных полимеров [104]. Был разработан метод получения полимеров с заданными свойствами.

Одним из главных источников основных органических соединений, необходимых для производства новых синтетических продуктов, является нефть. Эта жидкость известна с античных времен, но чтобы использовать ее в больших количествах, необходимо было открыть способ выкачивания нефти из обширных подземных месторождений. Американский изобретатель Эдвин Лаурентин Дрейк (1819—1880) первым в 1859 г. начал бурить нефтяные скважины. Столетие спустя нефть стала основным источником органических соединений, источником тепла и энергии.

Еще более важным источником органических продуктов является каменный уголь, хотя в век двигателей внутреннего сгорания мы обычно забываем о нем. Русский химик Владимир Николаевич Ипатьев (1867—1952) на рубеже веков начал исследовать сложные углеводороды, содержащиеся в нефти и каменноугольном дегте, и, в частности, изучать их реакции, идущие при высоких температурах. Немецкий химик Фридрих Карл Рудольф Бергиус (1884—1949), используя данные Ипатьева, разработал в 1912 г. практические способы обработки каменного угля и нефти водородом с целью получения бензина.

Однако мировые запасы ископаемого топлива (каменный уголь плюс нефть) ограничены и невосполнимы. Все прогнозы говорят о том, что наступит день, когда запасы ископаемого топлива будут исчерпаны, и что этот день не за горами, особенно если учесть, что численность населения земли быстро увеличивается, а, следовательно, увеличивается и потребность в энергии [105].