Углерод
В начале 90-х годов Хрущев предпринял попытку повторить «эксперимент» природы, приводящий к появлению в метеоритах алмазных крупинок (после открытия Ерофеева и Лачинова, исследовавших каменный метеорит, такие же находки были сделаны в веществе железных метеоритов). Но для этой попытки стальная «бомба» уже не годилась.
Вот выдержки из доклада К.Д. Хрущева, сделанного им 4 марта 1893 г. на заседании Санкт-Петербургского императорского минералогического общества: «На основании находок в метеорите можно было прийти к мысли, что под сильным давлением углерод может выделяться из раствора в металле в виде алмаза. Мы проделали такой опыт. Насытив кипящее серебро углеродом, которого растворилось шесть процентов, я быстро охладил массу. Давление в ее середине не могло не повыситься под действием корки, сразу же затвердевшей снаружи. Последовавшее затем растворение получившегося слитка показало, что часть выделившегося углерода имеет свойства алмаза.
Порошок его состоит из прозрачных бесцветных кристаллических осколков и пластинок, сильно преломляющих свет, совершенно изотропных, царапающих корунд и сгорающих в углекислоту с незначительным остатком золы».
Еще о быстром охлаждении
В том же 1893 г. другой ученый, парижский профессор-химик Анри Муассан проделал такой же опыт, как и Хрущев (Муассан закончил свою работу несколько раньше, именно ему принадлежит первая публикация).
Располагая лучшим из возможных по тому времени источником нагрева – изобретенной им электрической дуговой печью, Муассан решил растворить углерод (сахарный уголь) в кипящем железе. Глубоким убеждением этого выдающегося ученого (кстати, иностранного члена-корреспондента Российской Академии наук.) было сформулированное им научное правило: «Опыт должен получаться всегда!» Это значит, что результаты эксперимента, настоящего эксперимента, отвечающего незыблемым законам природы, должны быть так же постоянны, как и эти законы.
А раз так, 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 необычную для научной лаборатории, но зато предельно простую «систему охлаждения» расплавленного железа. Он поставил на полу в лаборатории табурет, на него деревянную лохань, в лохань налил водопроводную воду. И когда пришло время охлаждать кипящее железо с растворенным в нем углеродом, профессор поднял клещами тигель и вылил его содержимое в лохань с водой! К счастью, Муассан все-таки надел перед этим очки и фартук, а загоревшуюся на нем одежду удалось потушить.
Когда бесформенный слиток, оставшийся в лохани после взрыва, был растворен в кислотах, из него выделили несколько крупинок. Они тонули в жидкости с удельным весом три, царапали рубин и корунд, почти целиком сгорали в кислороде...
Таковы два происшествия из истории искусственного алмаза.
Кандидат в самые прочные?
В 1975 г. были опубликованы расчеты, проведенные советскими химиками В.В. Коршаком, В.И. Касаточкиным и К.Е. Перепелкиным, согласно которым наибольшая теоретическая прочность из всех имеющихся на Земле веществ должна быть у линейного полимера углерода – карбина. Разумеется, такой ультра прочный карбин должен быть изготовлен в виде бездефектных нитевидных кристаллов. Раньше считали, что теоретически самое прочное вещество – графит (13 тыс. кг/мм2), для карбина же вычисленная величина предельной прочности почти вдвое больше – 22...23 тыс. кг/мм2.
Что нужно, чтобы материал был очень прочным? Во-первых, высокие значения энергии химических связей. Во-вторых, направления этих связей должны по возможности совпадать и идти вдоль оси кристалла. В-третьих, если вещество полимерного строения, нужно, чтобы степень его полимеризации была высокой. Четвертое обязательное условие – отсутствие в макромолекуле «слабых мест» и слабых связей. Все эти условия соблюдены в карбине, поэтому рекордные значения расчетной теоретической прочности, в общем, не удивительны.
Карбин в природе
В 1970 г. геофизики из Института Карнеги обнаружили в метеоритном кратере Рис на территории ФРГ новый минерал, состоящий на 99,99% из углерода. Но это, определенно, не были ни алмаз, ни графит. Исследования показали, что минерал из кратера Рис скорее всего представляет собой природную разновидность синтезированного несколькими годами раньше карбина.
Возраст – по 14С
Метод определения возраста исторических находок по содержанию в них радиоактивного изотопа углерода 14С разработан известным физиком, лауреатом Нобелевской премии Фрэнком Уиллардом Либби.
Углерод-14 – один из природных радиоактивных изотопов, период его полураспада 5570 лет.
Поток космических протонов, летящих со скоростью, близкой к скорости света, непрерывно бомбардирует Землю. Уже в верхних слоях атмосферы протоны сталкиваются с ядрами азота и кислорода. При таких столкновениях атомы разрушаются, в результате чего получаются свободные нейтроны, моментально захватываемые ядрами элементов воздуха, в первую очередь, конечно, ядрами атомов азота. И тогда происходит одно из чудес, признаваемых наукой, – взаимопревращение элементов: азот становится углеродом, только не простым, а радиоактивным углеродом-14.
Ядра углерода-14, распадаясь, испускают электроны и вновь превращаются в ядра азота.
Зная период полураспада изотопа, нетрудно подсчитать, сколько его теряется за любой промежуток времени. Подсчитали, что за год на Земле распадается примерно 7 кг радиоуглерода. Это означает, что на нашей планете естественным путем поддерживается постоянное количество этого изотопа – в результате ядерных реакций, идущих в атмосфере, Земля ежегодно «приобретает» около 7 кг 14С.
Земная атмосфера углеродом не богата. В ней всего 0,03% (по объему) двуокиси углерода СО2. Но в пересчете на вес это не так уж мало: общее содержание углерода в атмосфере – около 600 млн т. И в каждом биллионе молекул атмосферной СО2 есть один атом 14С. Эти атомы вместе с обычными усваиваются растениями, а оттуда попадают в организмы животных и человека. В любом живом организме есть радиоуглерод, который постепенно распадается и обновляется. В грамме «живого» углерода каждую минуту происходят 14 актов радиоактивного распада. Опыт показывает, что концентрация этого изотопа одинакова во всем живом на нашей планете, хотя в силу некоторых геофизических причин радиоуглерод «приземляется» преимущественно в полярных районах.
Но вот организм гибнет и перестает быть звеном непрерывно идущего на Земле круговорота углерода. Новый радиоуглерод в него уже не поступает, а радиоактивный распад продолжается. Через 5570 лет количество радиоуглерода в отмершем организме уменьшится вдвое, и в грамме углерода, извлеченного из дерева, срубленного 5570 лет назад, чувствительные счетчики за минуту зафиксируют уже не 14, а лишь 7 актов распада. Поэтому с помощью радиоуглерода можно определить возраст практически любого предмета, сделанного из материалов растительного или животного происхождения.
Датировка предметов древности по радиоуглероду в высшей степени удобна и достаточно точна. Причиной тому период полураспада 14С – 5570 лет. Возраст человеческой культуры – величина того же порядка...
Этот метод помог определить даты древних вулканических извержений и время вымирания некоторых видов животных. Он помог разоблачить не одну археологическую подделку, когда за свидетельства древности выдавались, например, черепа с подпиленными зубами.
Но главной заслугой метода следует, видимо, считать установление времени ледниковых периодов.
Радиоуглеродные измерения показали: за последние 40 тыс. лет на Земле было три ледниковых периода. Самый поздний – примерно 10400 лет назад. С тех пор на Земле относительно тепло.
Свидетельство Фридриха Вёлера
Этот немецкий химик, синтезировав в 1824 г. мочевину, пробил первую брешь в учении виталистов (от vitalis – жизненный), считавших, что нельзя получить органические вещества без помощи «жизненной силы». Правда, те не растерялись и объявили, что, дескать, мочевина – отброс организма, и потому ее можно синтезировать и без помощи «жизненной силы». Но в середине XIX в. это учение стало «трещать по швам» под напором все новых и новых органических синтезов. Однако до появления теории химического строения, созданной Александром Михайловичем Бутлеровым, в среде органиков царил разброд. Теории рождались и умирали с частотой бабочек-однодневок.
Известны слова Вёлера, сказанные в 1835 г.: «Органическая химия может ныне кого угодно свести с ума... она представляется дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть».
Изомерия и запах
Вещества одинакового состава, но разного пространственного расположения называют изомерами. О том, как сказывается эта разница на свойствах, можно судить на примере довольно простого органического соединения – ванилина и его аналога изованилина. Ванилин – одно из наиболее известных душистых веществ, его приятный запах знаком, по-видимому, всем. А изованилин при нормальных условиях почти не пахнет, если же его нагреть, распространится малоприятный запах, подобный запаху карболки. Ароматы разительно отличаются, а разницы в составе нет:
