О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики - Айзек Азимов

Но если можно ожидать, что ксенон вступит в химическую реакцию, то с какими именно атомами? Было бы естественно предположить, что для этого следует выбрать наиболее химически активный элемент — фтор или фторсодержащие вещества. Если ксенон не вступит в реакцию с ними, он не станет реагировать ни с чем.

(Вам может показаться, что я чрезвычайно много знаю об этом вопросе, по это действительно так. Правда, я не явился первооткрывателем. Задолго до меня, в 1932 году, соответствующие обоснования выполнил Лайнус Полинг. Кроме того, я слышал, что джентльмен но имени А. фон Антропофф сделал то же самое в 1924 году.)

В 1962 году Нил Бартлетт и его коллеги, работавшие в университете Британской Колумбии, проводили опыты с очень необычным веществом — гексафторидом платины (РtFб). Оказалось, что это вещество обладает чрезвычайно высокой химической активностью. Химики решили посмотреть, не сможет ли оно вступить в химическую реакцию с инертным газом.

Бартлетт смешал пары PtF6) и, к своему немалому изумлению, получил некое соединение. Судя по всему, оно имело формулу XePtF6. Объявленные результаты эксперимента были встречены научной общественностью с некоторым сомнением. Гексафторид платины был слишком сложным соединением, чтобы предположить формирование решетчатой молекулы, в которую попали атомы ксенона.

Группа химиков Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго решили продолжить эксперименты с ксеноном и фтором. Они производили нагрев одной части ксенона с пятью частями фтора до 400 °C под давлением в никелевом контейнере. В результате был получен тетрафторид ксенона (ХеР4) соединение инертного газа без возможности образования решетчатой молекулы. (Конечно, подобный эксперимент мог быть выполнен значительно раньше, но вряд ли стоит удивляться, что это не было сделано. Чистый ксенон очень сложно получить, а с чистым фтором очень опасно иметь дело. Химики, являясь людьми разумными, не желали идти на расходы и риск ради призрачного шанса получить соединение инертного газа. Лишь когда после опытов Бартлетта шанс ощутимо увеличился, дорогостоящий эксперимент был проведен и увенчался успехом.)

Результаты работы аргоннских ученых произвели настоящий фурор. Химики словно сорвались с цепи. Казалось, что все химики-неорганики мира решили участвовать в экспериментах с инертными газами. Из лабораторий, расположенных в разных концах планеты, стали поступать сообщения о получении соединений ксенона. Кроме XeF4, были также получены ХеР2, ХеР6, ХеОF2, ХеОF3, ХеОF4, ХеO3, Н4ХeO4, Н4ХeO6.

Удалось даже собрать достаточное количество радона, чтобы получить тетрафторид радона RnF4. Даже более инертный, чем ксенон, криптон позволил себя приручить. Были получены соединения КrF2 и КгF4.

Оставшиеся инертные газы аргон, неон и гелий до сих пор остаются неподдающимися. Это последние из «старых холостяков», но химики не оставляют надежды лишить их этой привилегии.

Будучи немолодым, осторожным и женатым человеком, я на это могу сказать только одно: без комментариев.

Глава 16 ТЕ, КТО ВСЕГДА ПОТОРАПЛИВАЮТ

В одной из моих первых научно-популярных статей, предназначенных для широкого круга читателей (как давно это было, кажется, в далеком Средневековье), упоминалось о «ловких волшебниках-катализаторах».

Дочитав до этой фразы, мой редактор замер, причем вовсе не от восхищения (хотя, откровенно говоря, я ожидал именно этого — сравнение казалось мне необыкновенно удачным). Но он обратил на меня суровый взгляд и непререкаемым тоном изрек: «В науке нет ничего волшебного. В ней могут быть загадки, тайны, иногда необъяснимые; но никакого волшебства!»

Думаю, вы поймете, как неприятно было мне получить урок — и от кого? — от редактора! Но тем не менее, урок был хорош, и я его запомнил.

Но каким образом можно описать работу катализаторов, не призывая на помощь волшебство? Проблема!

Одним из первых опытов, выполняемых начинающим химиком в лаборатории высшей школы, является получение кислорода путем нагрева хлорноватокислого калия (бертолетовой соли). Если бы нагреву подвергалась только бертолетова соль, кислород, конечно, выделялся бы, по медленно при сравнительно высоких температурах. Поэтому начинающий химик получает указание прежде всего добавить немного двуокиси марганца. Когда нагреву подвергается смесь, выделение кислорода идет быстро и при сравнительно низких температурах.

В чем же заключается роль двуокиси марганца? Это вещество не участвует в реакции и после ее завершения остается в неизменном количестве. Но его присутствие ускоряет производство кислорода. Оно поторапливает реакцию, то есть является катализатором.

Но как можно объяснить этот эффект присутствия? Возможно, молекулы действуют на расстоянии? Или они осуществляют экстрасенсорное воздействие на бертолетову соль? Таково влияние ауры двуокиси марганца? Что это? Телекинез? Или нечто аналогичное? Короче, без волшебства тут не обошлось.

Что ж, давайте разберемся…

Я начну с самого начала (вы, конечно, заметили, что я всегда стараюсь так поступать) и первым делом скажу, что на протяжении веков химикам очень не хватало катализатора.

Алхимики древности искали методы превращения металлов в золото. Это им не удавалось, и потерпевшим очередную неудачу ученым казалось, что в проводимых ими реакциях чего-то не хватает. А ученые, обладавшие более богатым воображением, считали, что следует отыскать вещество для добавления в нагреваемую смесь (уж не знаю, из чего она состояла), которое заставит золото появиться. Небольшого количества такого вещества будет достаточно, чтобы получить много золота; после чего это вещество, вне всякого сомнения, можно будет использовать снова.

Это вещество никто никогда не видел, однако его описывали как нечто сухое, земное. Древние алхимики дали ему название xerion от греческого слова сухой.

В VIII веке алхимией вплотную занялись арабы и назвали этот золотопроизводящий катализатор al-iksir (сухой по-арабски). Когда в XIII веке арабская алхимия добралась до Европы, al-iksir стал эликсиром.

Чтобы убедить общественность, что это сухое твердое вещество, в Европе его назвали «философский камень».

Удивительный эликсир обязан был обладать и другими замечательными свойствами, поэтому постепенно ему стали приписывать способность излечивать любые болезни и даже дарить бессмертие. И со временем алхимики начали говорить об «эликсире жизни».

Веками все, кому не лень, искали философский камень и/или эликсир жизни, но не находили. Когда же катализатор, наконец, был обнаружен, он способствовал образованию не приятно радующего глаз желтого металла, а едкой и чрезвычайно опасной серной кислоты. А вы не знали?

До 1740 года производство серной кислоты было процессом очень сложным, длительным и дорогостоящим. Теоретически все было просто. Сначала необходимо сжечь серу в кислороде и получить двуокись серы SO2, затем продолжить жечь уже двуокись серы и получить трехокись SO3. Осталось только растворить SO3 в воде, и серная кислота Н2SO4 готова. Загвоздка заключалась в том, чтобы заставить двуокись серы соединиться с кислородом. Этот процесс шел медленно и трудно.

В 40-х годах XVIII века английский изготовитель серной кислоты по имени Джошуа Уорд, по всей вероятности, заметил, что селитра (нитрат калия), хотя сама является веществом негорючим, заставляет углерод и серу гореть намного активнее. (В действительности углерод, соединяясь с селитрой, образует порох.) Он начал добавлять селитру в горящую серу и обнаружил, что теперь может получать достаточное количество трехокиси серы без особых проблем и изготавливать серную кислоту просто и дешево.

Самым удивительным было то, что после завершения реакции селитра оставалась в первоначальном количестве и не изменяла свои свойства. Уорд запатентовал свое изобретение, а стоимость производства серной кислоты резко упала и составила 5 % от первоначальной.

Волшебство? Нет, пожалуй.

В 1806 году два французских химика, Шарль Бернар Дезорм и Никола Клеман, предложили объяснение этому процессу. Выдвинутый ими принцип просуществовал до наших дней.

Судя по всему, когда сера и селитра горят вместе, двуокись серы взаимодействует с частью молекул селитры и образует сложное соединение. Кислород переносится из «селитровой» части соединения к серной, после чего молекулы разрушаются и образуется уже трехокись серы.

То, что осталось (фрагменты селитры минус кислород), отбирают недостающий кислород из атмосферы. Восстановленные молекулы селитры готовы снова взаимодействовать со следующими молекулами двуокиси серы и снова передать им кислород. Таким образом, задача селитры заключается в передаче кислорода из воздуха двуокиси серы, причем как можно быстрее. Она является обычным посредником и не изменяется после завершения реакции.