Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

наши дома, готовит нашу еду, собирает наши машины и производит множество продуктов для жадного, алчного мира.

Углеродные соединения зажигают эти огни.

Углерод, преобразованный огнем нефтеперерабатывающих заводов, является сырьем почти всего.

ИНТРОДУКЦИЯ — Материальный мир

Земли и Воздуха недостаточно. Общество требует изобилия всевозможных материальных благ: еды и одежды, домов и фабрик, машин и самолетов, телевизоров и смартфонов. Нам нужны вещи, и отнюдь не только самые необходимые: мощные спортивные двигатели, изысканное вино, удобные стулья, упругие бамперы, мягкое нижнее белье, надежные компьютеры, вкусные кексы, прочные рюкзаки, легкие кроссовки, разноцветные воздушные шары, поляризационные солнечные очки, пушистые подушки и добротные матрацы. Привередливые потребители требуют новинок: застежек-липучек, пластырей Band-Aid, самоклеящейся бумаги для заметок, суперклея, жидких гаечных ключей, гигиенического бальзама для губ ChapStick, тефлона, жевательных Мишек Гамми — все это продукты изобретательной углеродной химии.

Чтобы создать вещество, вам потребуются атомы в различных трехмерных комбинациях: комковатые массы, гибкие пластины, тонкие волокна и разветвляющиеся массивы. Вам понадобятся молекулы всех мыслимых размеров и форм: цепочки из атомов, кольца из атомов, крепкие блоки из атомов и полые цилиндры из атомов. Наше общество создает материалы со всевозможными полезными свойствами, какие только можно себе представить: шелковистые, упругие, прозрачные, душистые, поглощающие, разноцветные, изолирующие, абразивные, водоотталкивающие, непрозрачные, липкие, биоразлагаемые, защищающие от ультрафиолета, пряные, магнитные, легковоспламеняющиеся, плотные, ломкие, тепло- и электропроводные, сладкие и соленые, мягкие и безопасные.

Постоянно расширяющийся спектр общественных нужд и желаний создает бесконечный спрос на столь же разнообразные атомные структуры. Каждый материал нужно детально спроектировать, тщательно подогнать на атомном уровне для выполнения его специфической роли, поскольку основной принцип химической науки заключается в том, что свойства любого материала зависят от его атомов — от характерного для этого материала набора атомов, а также от того, как они связаны между собой.

В соединениях с другими атомами ни один химический элемент не играет свою роль лучше, чем углерод, химия которого столь неизмеримо богата, что для обозначения специальности ученых, посвящающих свою деятельность изучению углерода, придумали имя собирательное — химики-органики. Их международное сообщество насчитывает более миллиона членов-исследователей. Иными словами, химиков-органиков — специалистов, которые всю жизнь играют с углеродом, — намного больше, чем всех других ученых-химиков.

Правила электронов

Правила — особенно те, что основаны на числах, — часто кажутся спорными. Например, в спорте. В американском футболе было время (в 1880-е гг.), когда за филд-гол давали пять очков, а за тачдаун — только четыре{121}. Тачдаун «повысили» до пяти очков в 1897 г., филд-гол «понизили» до четырех в 1904-м, а затем до ставших сегодня привычными трех — в 1909 г. Тачдаун снова изменили уже на нынешнее его значение в шесть очков в 1912 г. За минувшее столетие похожие изменения претерпевали правила безопасности, а также дополнительные одно и два очка после тачдауна. В исторической перспективе правила начисления очков в американском футболе производят впечатление более чем замысловатых и преходящих, причем они неизбежно подвергнутся дополнительным корректировкам в будущем.

Химия тоже своего рода игра, в которой игроками являются атомы, исполняющие древний танец химических связей, где счет определяют электроны. Вот, навскидку: вы атом-победитель, если у вас в итоге оказывается 2, 10, 18 или 36 электронов. Почему именно эти значения? И что они — тоже спорные? А будут ли они такими же во вселенных, параллельных нашей? Физики придумывают замысловатые объяснения этим магическим числам. Это просто правила игры, но в данном случае правила встроены в саму ткань нашего космоса.

Некоторые атомы уже рождены счастливыми — как раз с двумя (элемент гелий), десятью (неон), 18 (аргон) или 36 (криптон) электронами. Эти особенные атомы ведут жизнь изолированных, свободно фланирующих индивидуалистов — инертных газов-отшельников, поскольку им нет нужды полагаться на какие-либо другие атомы, чтобы набрать победное число электронов. Другие атомы немного промахиваются мимо магического числа. Натрий — 11-й элемент — изначально владеет 11 положительно заряженными протонами и 11 отрицательно заряженными электронами, но он с готовностью отдает один электрон и становится катионом натрия. Хлор — со своими 17 протонами и 17 электронами — с той же готовностью забирает этот нежелательный электрон у натрия и становится анионом хлора. Положительные ионы натрия притягивают отрицательные ионы хлора, чтобы, соединившись, создать восхитительные изящные кубики кристаллов поваренной соли — хлорида натрия.

В Периодической таблице много элементов-неметаллов, подобных хлору или кислороду (у которого восемь электронов, т.е. ему недостает двух до магических десяти), жаждущих отхватить себе электрон-другой у «перегруженных» электронами металлов вроде натрия или магния (у которого 12 электронов). Большинство элементов Периодической таблицы перенимают эту стратегию отдачи или захвата электронов, чтобы победить в игре связей. И это хорошо. Если бы все атомы были одинаково счастливы со своим исходным количеством электронов, то не было бы причины присоединять их или делиться ими, оказалось бы невозможным образование химических связей и мы бы никогда не пришли к нашему буйному разнообразию материального существования.

В этом мире взаимовыгодного бартера электронов и (обычно дружеских) слияний углерод занимает уникальное место, будучи элементом №6, т.е. находясь в середине периода на полпути между магическими двумя и десятью электронами. Подобно уставшему пловцу на озере, который оказался на равном расстоянии от двух берегов, углерод просто не «знает», что ему делать. Должен ли он устремиться в одну сторону и искать еще четыре электрона, чтобы обладать магическими десятью? Или ему следует направиться в прямо противоположном направлении и отдать четыре электрона, чтобы в итоге у него оказались магические два?

Эта неоднозначность дает углероду преимущество для образования связей, неизвестное большинству других элементов. В отличие от натрия, который неизменно отдает один электрон, или хлора, который столь же охотно хватает этот дополнительный электрон в борьбе за атомное счастье, шестой элемент наслаждается сразу многими контрастными химическими ролями — то забирает, то отдает, то делится электронами во взаимодействиях, которые ведут к образованию намного большего веера химических соединений, чем у всех остальных ста с лишним элементов, вместе взятых. Поэтому углерод способен создавать как самые твердые из всех известных материалов, так и самые мягкие, как самые яркие и разнообразные цвета, так и самый черный из наичернейших, как самые скользкие смазки, так и самые липкие клеи.

Горючий углерод{122}

Нам нужны материалы, но, чтобы их создать, требуется много энергии. Зачастую эта энергия приходит от тепла сжигаемого углеродного топлива. Мы везунчики, поскольку у Земли богатые запасы маленьких горючих углеродсодержащих молекул — углеводородного топлива, куда