Реферат: Углерод

Углерод

«Углеродвстречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьмаразличных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайнеймере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединенийуглерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множествавеществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в видеуглекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органическихостатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих теложивотных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола,хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных,винная кислота и крахмал – все эти и множество иных веществ, входящих в ткани исоки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Областьсоединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химииуглеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Этислова из «Основ химии» Д.И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфомк нашему рассказу о жизненно важном элементе – углероде. Впрочем, есть здесьодин тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно ипоспорить, но об этом ниже.

Вероятно,пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не былапосвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярнаякнига – не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой изоберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц – есть вактиве только одного элемента – углерода.

Ивообще литература по углероду – богатейшая. Это, во-первых, все без исключениякниги и статьи химиков-органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров;в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых,значительная часть медико-биологической литературы...

Поэтомуне будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книгиоб элементе №6 назвали ее «Неисчерпаемый»!), а сконцентрируем внимание лишь наглавном из главного – попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.

Углерод глазами кристаллохимика

Углерод– один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общениячеловека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имяпервооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из формэлементарного углерода – алмаз или графит – была открыта раньше. И то и другоеслучилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и дографита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считалитретьей, аморфной формой элементарного углерода – уголь. Но в действительностиуголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород,и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля нестанет самостоятельной модификацией элементарного углерода. Это былоустановлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал,что аморфный углерод – это по существу тот же графит. А значит, никакой он неаморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в нихдефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует в двухэлементарных формах – в виде графита и алмаза.

Вамникогда не приходилось задумываться о причинах резкого «водораздела» свойств,который проходит во втором коротком периоде менделеевской таблицы по линии,отделяющей углерод от следующего за ним азота? Азот, кислород, фтор при обычныхусловиях газообразны. Углерод – в любой форме – твердое тело. Температураплавления азота – минус 210,5°C, а углерода (в виде графита под давлением свыше100 атм.) – около плюс 4000°C...

ДмитрийИванович Менделеев первым предположил, что эта разница объясняется полимернымстроением молекул углерода. Он писал: «Если бы углерод образовывал молекулу С2,как и О2, то был бы газом». И далее: «Способность атомов углясоединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всехуглеродистых соединениях… Ни в одном из элементов такая способность кусложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания дляопределения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, толькоможно думать, что в них содержится Cn, где n есть большая величина».

Этопредположение подтвердилось в наше время. И графит, и алмаз – полимеры,состоящие из одинаковых, только углеродных атомов.

Почеткому замечанию профессора Ю.В. Ходакова, «если исходить из природыпреодолеваемых сил, профессию гранильщика алмазов можно было бы отнести кхимическим профессиям». Действительно, гранильщику приходятся преодолевать несравнительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия, а силы химическойсвязи, которыми объединены в молекулу алмаза углеродные атомы. Любой кристаллалмаза, даже огромный, шестисотграммовый «Куллинан» – это по существу однамолекула, молекула в высшей степени регулярного, почти идеально построенноготрехмерного полимера.

Иноедело графит. Здесь полимерная упорядоченность распространяется только в двухнаправлениях – по плоскости, а не в пространстве. В куске графита эти плоскостиобразуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой нехимическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Вотпочему так просто – даже от соприкосновения с бумагой – расслаивается графит. Вто же время разорвать графитовую пластинку в поперечном направлении весьмасложно – здесь противодействует химическая связь.

Именноособенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствахграфита и алмаза. Графит отлично проводит тепло и электричество, алмаз –изолятор. Графит совершенно не пропускает света – алмаз прозрачен. Какими быспособами ни окисляли алмаз, продуктом окисления будет только СО2. Аокисляя графит, можно при желании получить несколько промежуточных продуктов, вчастности графитовую (переменного состава) и меллитовую С6(СООН)6кислоты. Кислород как бы вклинивается между слоями графитовой пачки и окисляетлишь некоторые углеродные атомы. В кристалле алмаза слабых мест нет, и поэтомувозможно или полное окисление или полное не окисление – третьего не дано...

Итак,есть «пространственный» полимер элементарного углерода, есть «плоскостной». Впринципе давно уже допускалось существование и «одномерного» – линейногополимера углерода, но в природе он не был найден.

Егополучили совсем недавно, уже в 60-е годы, советские химики В.В. Коршак,А.М. Сдадков, В.И. Касаточкин и Ю.П. Кудрявцев. Новое веществобыло синтезировано путем каталитического окисления ацетилена. Линейный полимеруглерода назвали карбином. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллическийпорошок, обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием светаэлектропроводность карбина сильно увеличивается. На этом свойстве основанопервое практическое применение карбина – в фотоэлементах. Важно, что карбин неутрачивает фотопроводимости при температуре до 500°C; это намного больше, чем удругих материалов того же назначения.

Пословам первооткрывателей карбина, самым сложным для них было определить, какимиже связями соединены в цепочку углеродные атомы. В нем могли быть чередующиесяодинарные и тройные связи (– С ≡ С – С ≡ С – С ≡),а могли быть только двойные(= С = С = С = С =). А могло быть и тои другое одновременно. Лишь через несколько лет Коршаку и Сладкову удалосьдоказать, что двойных связей в карбине нет. Однако, поскольку теория допускаласуществование углеродного линейного полимера только с двойными связями, было быпросто грешно не попытаться получить эту разновидность – по существу, четвертуюмодификацию элементарного углерода.

Этовещество было получено в Институте элементоорганических соединенийАН СССР. Новый линейный полимер углерода назвали поликумуленом. Видимо,еще рано строить предположения о возможных практических применениях «младшегобрата карбина» – исследования его свойств продолжаются, авторы открытия неторопятся с выводами.

Покабесспорно лишь одно: существуют четыре модификации элементарного углерода, икаждая из них по-своему интересна.

Углерод глазами химика-неорганика

Этотэлемент всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как разпосередине, степень его окисления в разных обстоятельствах бывает то +4, то –4.В реакциях с неметаллами он электроположителен, с металлами – наоборот. Даже втех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе– его формальная валентность остается по-прежнему равной четырем.

Весьманемногочисленны соединения, в которых углерод хотя бы формально проявляет валентность,отличную от четырех. Общеизвестно лишь одно такое соединение – СО, угарный газ,в котором углерод кажется двухвалентным. Именно кажется, потому что вдействительности здесь более сложный тип связи. Атомы углерода и кислородасоединены 3-ковалентной поляризованной связью, и структурную формулу этогосоединения пишут так: О+ ≡ С–.

В1900 г. М. Гомберг получил органическое соединение трифенилметил (C6Н5)3C.Казалось, что атом углерода здесь трехвалентен. Но позже выяснилось, что и наэтот раз необычная валентность – сугубо формальная. Трифенилметил и его аналоги– это свободные радикалы, только в отличие от большинства радикалов достаточностабильные.

… Историческисложилось так, что лишь очень немногие соединения углерода остались «подкрышей» неорганической химии. Это окислы углерода, карбиды – его соединения сметаллами, а также бором и кремнием, карбонаты – соли слабейшей угольнойкислоты, сероуглерод CS2, цианистые соединения. Приходится утешатьсятем, что, как это часто бывает (или бывало) на производстве, недоработку пономенклатуре компенсирует «вал». Действительно, наибольшая часть углеродаземной коры содержится не в организмах растений и животных, не в угле, нефти ивсей прочей органике, вместе взятой, а всего в двух неорганических соединениях– известняке CaCO3 и доломите MgCa(CО3)2.Углерод входит в состав еще нескольких десятков минералов, достаточно вспомнитьо мраморе СаСО3 (с добавками), малахите Сu2(ОН)2СО3,минерале цинка смитсоните ZnCO3… Есть углерод и в магматическихпородах, и в кристаллических сланцах.

Оченьредки минералы, в состав которых входят карбиды. Как правило, это веществаособенно глубинного происхождения; поэтому ученые предполагают, что в ядреземного шара есть углерод.

Дляхимической промышленности углерод и его неорганические соединения представляютзначительный интерес – чаще как сырье, реже как конструкционные материалы.

Многиеаппараты химических производств, например, теплообменники, изготавливают изграфита. И это естественно: графит обладает большой термостойкостью ихимической стойкостью и при этом прекрасно проводит тепло. Кстати, благодаряэтим же свойствам графит стал важным материалом реактивной техники. Из графитасделаны рули, работающие непосредственно в пламени сопловых аппаратов. Ввоздухе воспламенить графит практически невозможно (даже в чистом кислородесделать это непросто), а чтобы испарить графит нужна температура, намного болеевысокая, чем развивающаяся даже в ракетном двигателе. И, кроме того, принормальном давлении графит, как и гранит, не плавится.

Безграфита трудно представить современное электрохимическое производство.Графитовые электроды используются не только электрометаллургами, но и химиками.Достаточно вспомнить, что в электролизерах, применяемых для получениякаустической соды и хлора аноды – графитовые.

Обиспользовании соединений углерода в химической промышленности написаны многиекниги. Карбонат кальция, известняк, служит сырьем в производстве извести,цемента, карбида кальция. Другой минерал – доломит – «праотец» большой группыдоломитовых огнеупоров. Карбонат и гидрокарбонат натрия – кальцинированная ипитьевая сода. Одним из основных потребителей кальцинированной соды была иостается стекольная промышленность, на нужды которой идет примерно третьмирового производства Na2CO3.

И,наконец, немного о карбидах. Обычно, когда говорят карбид, имеют в виду карбидкальция – источник ацетилена, а, следовательно, многочисленных продуктоворганического синтеза. Но карбид кальция, хотя и самое известное, но далеко неединственное очень важное и нужное вещество этой группы. Карбид бора В4С– важный материал атомной техники (подробнее об этом см. в статье «Бор».),карбид кремния SiC или карборунд – важнейший абразивный материал. Карбидаммногих металлов свойственны высокая химическая стойкость и исключительнаятвердость; карборунд, к примеру, лишь немного уступает алмазу. Его твердость пошкале Мооса равна 9,5...9,75 (алмаза – 10). Но карборунд дешевле алмаза. Егополучают в электрических печах при температуре около 2000°C из смеси кокса икварцевого песка.

Углерод глазами химика-органика

Пословам известного советского ученого академика И.Л. Кнунянца, органическуюхимию можно рассматривать как своеобразный мост, перекинутый наукой от неживойприроды к высшей ее форме – жизни. А всего полтора столетия назад лучшие химикитого времени сами считали и учили своих последователей, что органическая химияэто наука о веществах, образующихся при участии и под руководством некоейстранной «материи» – жизненной силы. Но скоро эту силу отправили на свалкуестествознания. Синтезы нескольких органических веществ – мочевины, уксуснойкислоты, жиров, сахароподобных веществ – сделали ее попросту ненужной.

Появилоськлассическое определение К. Шорлеммера, не потерявшее смысла и 100 летспустя: «Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, то естьпродуктов, образующихся при замене водорода другими атомами или группамиатомов».

Итак,органика – это химия даже не одного элемента, а лишь одного класса соединенийэтого элемента. Зато какого класса! Класса, поделившегося не только на группы иподгруппы – на самостоятельные науки. Из органики вышли, от органикиотпочковались биохимия, химия синтетических полимеров, химия биологическиактивных и лекарственных соединений...

Сейчасизвестны миллионы органических соединений (соединений углерода!) и около статысяч соединений всех остальных элементов, вместе взятых.

Общеизвестно,что на углеродной основе построена жизнь. Но почему же именно углерод –одиннадцатый по распространенности на Земле элемент – взял на себя труднейшуюзадачу быть основой всего живого?

Ответна этот вопрос неоднозначен. Во-первых «ни в одном из элементов такойспособности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде». Во-вторых,углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самымиразнообразными способами. В-третьих, связь атомов углерода между собой, так жекак и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и прочих элементов,входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействиемприродных факторов. Поэтому углерод непрерывно круговращается в природе: изатмосферы – в растения, из растений – в животные организмы, из живого – вмертвое, из мертвого – в живое...

Четыревалентности атома углерода – как четыре руки. А если соединились два такихатома, то «рук» становится уже шесть. Или – четыре, если на образование парызатрачено по два электрона (двойная связь). Или – всего две, если связь, как вацетилене, тройная. Но эти связи (их называют ненасыщенными) подобны бомбе вкармане или джину в бутылке. Они скрыты до поры до времени, но в нужный моментвырываются на волю, чтобы взять свое в бурной, азартной игре химическихвзаимодействий и превращений. Самые разнообразные конструкции образуются в результатеэтих «игрищ», если в них участвует углерод. В редакции «Детской энциклопедии»подсчитали, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить366319 различных углеводородов, 366319 веществ состава C20H42.А если в «игре» не шесть десятков участников, а несколько тысяч; если среди нихпредставители не двух «команд», а, скажем, восьми!

Гдеуглерод, там многообразие. Где углерод, там сложности. И самые разные помолекулярной архитектуре конструкции. Простенькие цепочки, как в бутане СН3 – CH2 – СН2 – СН3или полиэтилене – СН2 – СН2 – CH2 – CH2 –,и разветвленные структуры (простейшая из них – изобутан); кольца с чистоуглеродным скелетом (циклопропан, циклогексан, бензол) и те же кольца с«подвесками» (толуол, анилин); кольца, в которые вклинились посторонние атомы –гетероциклические соединения, например тиофен C4H4S, иконгломераты всевозможных колец (самый простой – нафталин, состоящий из двухбензольных колец). И все это структуры простейшие – амебы и инфузорииорганической химии.

Еслипродолжать аналогию с живой природой, то где-то на уровне мхов и лишайниковокажутся почти все известные сейчас синтетические полимеры, например нейлон:

/>

илишироко применяемая в технике твердая фенолформальдегидная смола резит:

/>

А навершине усложнения – самые главные для нас полимеры: нуклеиновые кислоты ибелки. Очень сложна и в большинстве случаев еще не расшифрована окончательно ихструктура. И каждое новое достижение в этой области еще и еще раз напоминает нетолько о могуществе современной науки, но и о необычайной сложности задач,стоящих перед тем, кто пытается постичь смысл жизни на молекулярном исубмолекулярном уровне. Вспомните хотя бы о двойной спирали молекулы ДНК илилабиринтной запутанности четырех цепей молекулы гемоглобина.

Нескольколет назад произошло событие мировой важности: был осуществлен полный химическийсинтез молекулы белка инсулина.

Этоодин из простейших по строению, но очень важный для жизни белок. Он ответственза углеводный обмен в организме.

Вмолекуле инсулина две цепи, связанные дисульфидным (из двух атомов серы)мостиком. Одна из цепей состоит из 21 аминокислоты, причем внутри нее естьдисульфидное кольцо. В составе другой цепи – 30 аминокислот, также соединенныхв строгой последовательности. Синтез первой цепи состоял из 89 этапов-реакций,второй – из 138. Наконец, последней, 228-й ступенью работы было соединениецепей.

Нужноли говорить, что эта работа потребовала множества труда и времени. А в живойклетке синтез одной молекулы белка (даже намного более сложной, чем молекулаинсулина) занимает всего 2...3 секунды.

Нестоит забывать еще об одной особенности белкового синтеза: сейчас известноболее 20 аминокислот – структурных блоков, из которых строится белковаямолекула. Общая условная формула всех аминокислот кажется простенькой:

/>

Нопод значком R могут скрываться различные группы атомов. Лишь в простейшем случае,в молекуле глицина, R – это атом водорода, а к примеру у гистадина R состоит из11 атомов:

/>

Оченьважен порядок соединения аминокислот в молекуле белка. Установлено, например,что одна из тяжелых болезней крови происходит из-за того, что только в одномместе молекулы гемоглобина одна из аминокислот замещена другой (глутаминоваякислота – валином).

Вмолекулах белков – многие тысячи атомов. Там обязательно есть водород,кислород, азот; очень часто – сера. Но основа этих молекул – всегда углерод. Ибез углерода нет жизни, во всяком случае – на Земле.

Есть,правда, организмы, в которых содержание элемента №6 всего 0,1%. В ряске,затягивающей стоячий пруд, 2,5% углерода. Зато в более высокоорганизованномколокольчике его уже 10,2%. В организме мыши на долю углерода приходится10,77%, а кошки – почти вдвое больше, 20,56%. Не это ли обстоятельство легло воснову общеизвестного явления, заключающегося в том, что кошка ловит мышку, ане наоборот?

Ношутки в сторону. Углерод заслуживает вежливого и серьезного отношения. Хотя быпотому что «элементами жизни» иногда называют и калий, и фосфор, и азот. Ноесли так, то какого определения заслуживает элемент, на основе которогодействительно построено все живое?

Издесь одиннадцатый

Пораспространенности в земной коре – твердой оболочке на глубине до 16 км ив атмосфере на высоте до 15 км углерод занимает одиннадцатое место. Одиннадцатыйон и по распространенности в атмосфере Солнца. А вообще в космосе углеродадовольно много. Советские космические станции «Венера-4», «Венера-5» и«Венера-6» установили, что атмосфера утренней звезды состоит преимущественно изуглекислого газа. Этот газ преобладает и в атмосфере Марса. А вот в атмосферахСатурна, Юпитера, Урана и Нептуна наряду с аммиаком доминирует иное соединениеуглерода – метан. Углерод обнаружен в составе метеоритов и комет. С помощьюспектроскопических наблюдений углерод найден и на далеких звездах. В спектрахотносительно холодных звезд не раз наблюдались полосы поглощения, характерныедля радикалов СН*, CN* и С2*. Небез оснований предполагают, что радикалы СН* и CN* есть вгазопылевой среде, заполняющей межзвездное пространство.

Помощникметаллурга

Углерод– не металл. Но по некоторым характеристикам, в частности по теплопроводности иэлектропроводности, графит весьма «металлоподобен». Углерод – не металл, и темне менее это один из важнейших для металлургии элементов. Именно благодаря емусовершенно непригодное в качестве конструкционного материала мягкое, слабоежелезо становится чугуном или сталью. В последние десятилетия получилираспространение так называемые графитизированные стали, в структуре которыхесть свободные микрокристаллы графита. В основном эти стали идут напроизводство инструмента, коленчатых валов, штампов и поршней, потому что имсвойственна большая, чем у иных нелегированных сталей, прочность и твердость.

Каквосстановитель углерод применяют не только в производстве чугуна, но и многихцветных металлов. Практически в роли восстановителя выступает кокс, в которомуглерода 97...98%. А вот древесный уголь – первый, видимо, восстановитель вчерной металлургии – в цветной металлургии нашего времени выступает в иномкачестве. Из него делают так называемый покровный слой, предохраняющийрасплавленный металл от окисления.

Необходится без углерода и производство алюминия – металл нарастает на графитовомкатоде.

А вдоменном процессе обычно участвует не только элементарный углерод (в видекокса), во и одно из соединений элемента №6. Обыкновенные плотные известнякиприменяют в качестве флюсов при выплавке чугуна из железных руд, содержащих вкачестве пустой породы кремнезем и глинозем.

Покаеще основа

Уголь,нефть, горючие сланцы, торф, природный газ – материальная основатеплоэнергетики прошлого, настоящего и ближайшего будущего. Потому что, как нирадужны перспективы атомной энергетики, еще довольно много лет атом будетходить в подсобных. Пока его доля в производстве электроэнергии сравнительномала. Со временем роли, видимо, переменятся. Тогда «подсобниками» станутнынешние гегемоны – природные топлива на углеродной основе. И, видимо, придетвремя, когда горючие ископаемые будут целиком идти на химическую переработку.Пока же большая часть их отправляется в топки и двигатели, которые по существутоже топки.

Синтезалмаза

Вдекабре 1954 г. американская фирма «Дженерал электрик» сообщила, чтосотрудники этой фирмы Холл, Банди и другие получили искусственные алмазы в видемелких треугольных пластин. Процесс синтеза вели под давлением порядка100 тыс. атм. и при температуре 2600°C. Катализатором был тантал, аесли говорить точнее, то алмаз из графита получали на тонкой пленке карбидатантала, образовывавшейся в ходе алмазного синтеза.

Впрочем,еще раньше, в феврале 1953 г., первые искусственные алмазы получила группаЭрика Гуннара Лундблада (Швеция), но шведские ученые не торопились спубликацией результатов своих трудов.

С техпор, с середины 50-х годов XX в., успешные работы по промышленному синтезуалмазов ведутся в ряде стран. В нашей стране эту работу возглавилиВ.Н. Бакуль и академик Л.Ф. Верещагин. В подарок XXII съезду КПССбыло изготовлено по отечественной технологии 2000 каратов (карат – 0,2 г)синтетических алмазов. Сейчас в нашей стране выпускается столько техническихалмазов, сколько нужно технике. Известно, например, что в середине 70-х годовГорьковский автомобильный завод расходовал в год до 400 тыс. каратовискусственных алмазов. Один завод – 80 кг алмазов! Примерно столько же«тратил» их Сестрорецкий инструментальный завод и некоторые другие предприятия.

Вмире уже производятся и синтетические алмазы ювелирного качества; обходятся онинамного дороже природных.

Промышленныйсинтез алмазов – большое достижение науки и техники. Ученые шли к нему многиедесятилетия. Большинство попыток, предпринимавшихся в прошлом, заканчивалисьнеудачей. Но были и проблески. О двух из них и о синтезе алмаза в метеоритномвеществе рассказывают следующие заметки.

Метеорит…съели

Немаловажнойвехой в осознании возможности образования алмазов вне земной коры послужилообнаружение алмазных крупинок в метеорите, упавшем 10 (по старому стилю)сентября 1886 г. возле деревни Новый Урей Краснослободского уездаПензенской губернии (ныне – Мордовская АССР).

Крупинкиалмаза были обнаружены в метеоритном веществе преподавателями Петербургскоголесного института доцентом-минералогом Михаилом Васильевичем Ерофеевым ипрофессором химии Павлом Александровичем Лачиновым (известен больше всегоработами по холестерину, которыми занимался в последние годы жизни).

Осколкиметеорита «Новый Урей» были присланы в Петербург бывшим студентом Лесногоинститута учителем Павлом Ивановичем Барышниковым.

Приводимвыдержки из его письма директору Лесного института: «… Рано поутру нескольконовоурейских крестьян верстах в трех от деревни пахали свое поле… Вдругсовершенно неожиданно сильный свет озарил всю окрестность; затем черезнесколько секунд раздался страшный треск, подобный пушечному выстрелу или взрыву,за ним второй, более сильный. Вместе с шумом в нескольких саженях от крестьянупал на землю огненный шар; вслед за этим шаром невдалеке над лесом опустилсядругой, значительно больше первого. Все явление продолжалось не более минуты.

Обезумевшиеот страха крестьяне не знали, что делать, они попадали на землю и долго нерешались сдвинуться с места… Наконец один из них,несколько ободрившись, отправился к тому месту… и, к удивлению своему, нашелнеглубокую яму; в середине ее, углубившись до половины в землю, лежал оченьгорячий камень черного цвета. Тяжесть камня поразила крестьян...

Затемони отправились к лесу разыскать второй, больший камень, но все усилия их былинапрасны: лес в этом месте представляет много болот и топей, и найти аэролитаим не удалось: по всей вероятности, он упал в воду.

Наследующий день один из крестьян того же Урейского выселка отправился на своеполе посмотреть копны гречихи. Здесь совершенно случайно им найден был такой жеточно камень, какой принесли накануне его соседи. Камень тоже образовал вокругсебя ямку; часть камня была в земле… Дальнейшие поиски крестьян вокрестностях Нового Урея не привели ни к чему. Следовательно, выпало всего трикуска. Самый большой из них упал, без сомнения, в лесу в болото; второй по величине,упавший при крестьянах на пашне, приобретен мною и отослан Вам дляминералогического кабинета института и, наконец, третий, найденный крестьяниномв гречихе, съеден… Крупинки аэролита считались положительно универсальнымлекарством. Распространились нелепые слухи о «чудесном исцелении», требованияна «христов камень» усилились; счастливый владелец метеорита пользовалсяслучаем и продавал камешек чуть не на вес золота, выказывая при этом слабостинастоящего завзятого аптекаря. Прием «христова камня» производился такимобразом: пациент, купивши ничтожный кусочек метеорита, толок и растирал его впорошок и затем, смешав с водой, благоговейно выпивал, творя молитву и крестноезнамение...»

Заоткрытие алмазов в метеорите Российская Академия наук присудила Ерофееву иЛачинову Ломоносовскую премию. А каких-либо следов того, что хоть кто-нибудьобратил внимание на беспросветную темноту крестьян, история не сохранила.

Небесноетело (вернее, часть его), присланное Барышниковым в институт, весило1762,3 г; позже были получены еще два осколка – весом 21,95 и105,45 г. Не считая двух десятков граммов, израсходованных Ерофеевым иЛачиновым на анализы, метеорит сохранился.

Егоможно видеть и сейчас в Ленинградском горном музее.

Мыпроделали такой опыт

Кконцу XIX в. число минералов, воссозданных человеком in vitro влабораторном стекле, давно перевалило за сотню. Кварц, роговую обманку,тридимит, циркон – всего 11 минералов – получил первым профессор Петербургскойвоенно-медицинской академии Константин Дмитриевич Хрущев. Он в числе первыхввел в практику лабораторных работ по синтезу минералов высокое давление.Именно Хрущев изобрел устройство, игравшее важную роль на протяжении многихдесятилетий: олстостенную стальную «бомбу» с гнездом, в которое вставляется платиноваяпробирка с реактивами, и массивной завинчивающейся стальной пробкой. Будучинагрет до красного каления, такой сосуд способен месяцами выдерживать давлениереагирующих в платиновом вкладыше веществ.

Вначале 90-х годов Хрущев предпринял попытку повторить «эксперимент» природы,приводящий к появлению в метеоритах алмазных крупинок (после открытия Ерофееваи Лачинова, исследовавших каменный метеорит, такие же находки были сделаны ввеществе железных метеоритов). Но для этой попытки стальная «бомба» уже негодилась.

Вотвыдержки из доклада К.Д. Хрущева, сделанного им 4 марта 1893 г. назаседании Санкт-Петербургского императорского минералогического общества: «Наосновании находок в метеорите можно было прийти к мысли, что под сильнымдавлением углерод может выделяться из раствора в металле в виде алмаза. Мыпроделали такой опыт. Насытив кипящее серебро углеродом, которого растворилосьшесть процентов, я быстро охладил массу. Давление в ее середине не могло неповыситься под действием корки, сразу же затвердевшей снаружи. Последовавшеезатем растворение получившегося слитка показало, что часть выделившегосяуглерода имеет свойства алмаза.

Порошокего состоит из прозрачных бесцветных кристаллических осколков и пластинок,сильно преломляющих свет, совершенно изотропных, царапающих корунд и сгорающихв углекислоту с незначительным остатком золы».

Ещео быстром охлаждении

В томже 1893 г. другой ученый, парижский профессор-химик Анри Муассан проделалтакой же опыт, как и Хрущев (Муассан закончил свою работу несколько раньше,именно ему принадлежит первая публикация).

Располагаялучшим из возможных по тому времени источником нагрева – изобретенной имэлектрической дуговой печью, Муассан решил растворить углерод (сахарный уголь)в кипящем железе. Глубоким убеждением этого выдающегося ученого (кстати,иностранного члена-корреспондента Российской Академии наук.) былосформулированное им научное правило: «Опыт должен получаться всегда!» Этозначит, что результаты эксперимента, настоящего эксперимента, отвечающегонезыблемым законам природы, должны быть так же постоянны, как и эти законы.

А разтак, то все, что не относится к самой сути опыта, особого значения не имеет.

Вероятно,исходя из этого убеждения, Муассан и применил в своем опыте несколько необычнуюдля научной лаборатории, но зато предельно простую «систему охлаждения»расплавленного железа. Он поставил на полу в лаборатории табурет, на негодеревянную лохань, в лохань налил водопроводную воду. И когда пришло времяохлаждать кипящее железо с растворенным в нем углеродом, профессор поднялклещами тигель и вылил его содержимое в лохань с водой! К счастью, Муассанвсе-таки надел перед этим очки и фартук, а загоревшуюся на нем одежду удалосьпотушить.

Когдабесформенный слиток, оставшийся в лохани после взрыва, был растворен вкислотах, из него выделили несколько крупинок. Они тонули в жидкости с удельнымвесом три, царапали рубин и корунд, почти целиком сгорали в кислороде...

Таковыдва происшествия из истории искусственного алмаза.

Кандидатв самые прочные?

В1975 г. были опубликованы расчеты, проведенные советскими химикамиВ.В. Коршаком, В.И. Касаточкиным и К.Е. Перепелкиным, согласнокоторым наибольшая теоретическая прочность из всех имеющихся на Земле веществдолжна быть у линейного полимера углерода – карбина. Разумеется, такой ультрапрочный карбин должен быть изготовлен в виде бездефектных нитевидныхкристаллов. Раньше считали, что теоретически самое прочное вещество – графит(13 тыс. кг/мм2), для карбина же вычисленная величинапредельной прочности почти вдвое больше – 22...23 тыс. кг/мм2.

Чтонужно, чтобы материал был очень прочным? Во-первых, высокие значения энергиихимических связей. Во-вторых, направления этих связей должны по возможностисовпадать и идти вдоль оси кристалла. В-третьих, если вещество полимерногостроения, нужно, чтобы степень его полимеризации была высокой. Четвертоеобязательное условие – отсутствие в макромолекуле «слабых мест» и слабыхсвязей. Все эти условия соблюдены в карбине, поэтому рекордные значениярасчетной теоретической прочности, в общем, не удивительны.

Карбинв природе

В1970 г. геофизики из Института Карнеги обнаружили в метеоритном кратереРис на территории ФРГ новый минерал, состоящий на 99,99% из углерода. Но это,определенно, не были ни алмаз, ни графит. Исследования показали, что минерал изкратера Рис скорее всего представляет собой природную разновидностьсинтезированного несколькими годами раньше карбина.

Возраст– по 14С

Методопределения возраста исторических находок по содержанию в них радиоактивногоизотопа углерода 14С разработан известным физиком, лауреатомНобелевской премии Фрэнком Уиллардом Либби.

Углерод-14– один из природных радиоактивных изотопов, период его полураспада 5570 лет.

Потоккосмических протонов, летящих со скоростью, близкой к скорости света,непрерывно бомбардирует Землю. Уже в верхних слоях атмосферы протонысталкиваются с ядрами азота и кислорода. При таких столкновениях атомыразрушаются, в результате чего получаются свободные нейтроны, моментальнозахватываемые ядрами элементов воздуха, в первую очередь, конечно, ядрамиатомов азота. И тогда происходит одно из чудес, признаваемых наукой, –взаимопревращение элементов: азот становится углеродом, только не простым, арадиоактивным углеродом-14.

Ядрауглерода-14, распадаясь, испускают электроны и вновь превращаются в ядра азота.

Знаяпериод полураспада изотопа, нетрудно подсчитать, сколько его теряется за любойпромежуток времени. Подсчитали, что за год на Земле распадается примерно7 кг радиоуглерода. Это означает, что на нашей планете естественным путемподдерживается постоянное количество этого изотопа – в результате ядерныхреакций, идущих в атмосфере, Земля ежегодно «приобретает» около 7 кг 14С.

Земнаяатмосфера углеродом не богата. В ней всего 0,03% (по объему) двуокиси углеродаСО2. Но в пересчете на вес это не так уж мало: общее содержаниеуглерода в атмосфере – около 600 млн т. И в каждом биллионе молекулатмосферной СО2 есть один атом 14С. Эти атомы вместе собычными усваиваются растениями, а оттуда попадают в организмы животных ичеловека. В любом живом организме есть радиоуглерод, который постепеннораспадается и обновляется. В грамме «живого» углерода каждую минуту происходят14 актов радиоактивного распада. Опыт показывает, что концентрация этогоизотопа одинакова во всем живом на нашей планете, хотя в силу некоторыхгеофизических причин радиоуглерод «приземляется» преимущественно в полярныхрайонах.

Новот организм гибнет и перестает быть звеном непрерывно идущего на Землекруговорота углерода. Новый радиоуглерод в него уже не поступает, арадиоактивный распад продолжается. Через 5570 лет количество радиоуглерода вотмершем организме уменьшится вдвое, и в грамме углерода, извлеченного издерева, срубленного 5570 лет назад, чувствительные счетчики за минутузафиксируют уже не 14, а лишь 7 актов распада. Поэтому с помощью радиоуглеродаможно определить возраст практически любого предмета, сделанного из материаловрастительного или животного происхождения.

Датировкапредметов древности по радиоуглероду в высшей степени удобна и достаточноточна. Причиной тому период полураспада 14С – 5570 лет. Возрастчеловеческой культуры – величина того же порядка...

Этотметод помог определить даты древних вулканических извержений и время вымираниянекоторых видов животных. Он помог разоблачить не одну археологическуюподделку, когда за свидетельства древности выдавались, например, черепа сподпиленными зубами.

Ноглавной заслугой метода следует, видимо, считать установление времениледниковых периодов.

Радиоуглеродныеизмерения показали: за последние 40 тыс. лет на Земле было три ледниковыхпериода. Самый поздний – примерно 10400 лет назад. С тех пор на Землеотносительно тепло.

СвидетельствоФридриха Вёлера

Этотнемецкий химик, синтезировав в 1824 г. мочевину, пробил первую брешь вучении виталистов (от vitalis – жизненный), считавших, что нельзя получитьорганические вещества без помощи «жизненной силы». Правда, те не растерялись иобъявили, что, дескать, мочевина – отброс организма, и потому ее можносинтезировать и без помощи «жизненной силы». Но в середине XIX в. этоучение стало «трещать по швам» под напором все новых и новых органическихсинтезов. Однако до появления теории химического строения, созданнойАлександром Михайловичем Бутлеровым, в среде органиков царил разброд. Теориирождались и умирали с частотой бабочек-однодневок.

Известныслова Вёлера, сказанные в 1835 г.: «Органическая химия может ныне когоугодно свести с ума… она представляется дремучим лесом, полным чудесныхвещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть».

Изомерияи запах

Веществаодинакового состава, но разного пространственного расположения называютизомерами. О том, как сказывается эта разница на свойствах, можно судить напримере довольно простого органического соединения – ванилина и его аналогаизованилина. Ванилин – одно из наиболее известных душистых веществ, егоприятный запах знаком, по-видимому, всем. А изованилин при нормальных условияхпочти не пахнет, если же его нагреть, распространится малоприятный запах,подобный запаху карболки. Ароматы разительно отличаются, а разницы в составенет:

/>