Сюрпризы углерода
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В стакан налили две жидкости, одну за другой. Мгновенно грань между ними затянулась прозрачной, едва заметной пленкой. Деревянная палочка опустилась в стакан, и вот уже на ее конце белый налет только что возникшего то вещества. С палочкой в руке вы отходите на шаг, два, а нить, как тончайшая паутина, тянется за вами. И если бесконечность разноцветной ленты фокусника — иллюзия, то эта нить, рожденная в лаборатории, действительно не имеет конца. Добавьте «волшебной» жидкости — и можете окутать серебряно-дымчатым облаком всю лабораторию.
Что же это за нить? Не удивляйтесь — капрон. Да, тот самый капрон, из которого делают чулки, блузки, необычайно прочные ткани. Сейчас его производство — олицетворение сложности. Оно связано с огромными, наполненными хитроумной аппаратурой цехами. Но вот ниточка из стакана…
До сих пор получать длиннейшие молекулы полимеров помогали две реакции — полимеризация и поликонденсация. Они верно служат и будут служить химикам. Представьте себе, что четырехвалентный углерод объединен в молекулу не с четырьмя одновалентными атомами другого элемента, как это ему полагается, а с двумя. Тогда у него остаются две свободные связи, которые он отдает соседней молекуле. Получается так называемая двойная связь. Она очень непрочна. Под действием высоких давлений, температур или химических посредников — катализаторов — она разрушается, простые молекулы соединяются между собой в длинные цепочки полимеров.
Но перед веществами, лишенными двойной связи, она бессильна. И тогда химики призывают на помощь поликонденсацию.
Всем хорошо знаком представитель полиамидов — нейлон или полиэфиров — лавсан. Они подарены реакцией поликонденсации. А кремнийорганические полимеры? Удивительные вещества, соединившие в себе живую и неживую природу, тоже дала эта реакция. Для поликонденсации нужно, чтобы в составе молекулы исходного вещества была так называемая функциональная группа. (К слову кремнийорганические полимеры могут применятся и при производстве такой вещи как, например, высокопрочные решетки на окна metal-city.kiev.ua и многое другое).
Но далеко не всегда в молекуле вещества есть функциональная группа или нестойкая двойная связь, и потому лишь сорок-пятьдесят мономеров используются для построения молекул-гигантов. А природа давно дразнит ученых удивительным многообразием органических соединений — их не менее миллиона.
Как освоить вещества, не желающие становиться полимерами «классическим» путем? Многие химики мира пытаются найти решение этой труднейшей задачи.
ГИГАНТЫ — НОВЫМ СПОСОБОМ
Шарообразные колбы, витые трубки соединились в причудливое, хрупкое устройство. В одну из колб поместили белесое вещество, а где-то сверху тоненькой струйкой льется жидкость. Белесое вещество — мономер. Ученые строят из него молекулы-гиганты. Через пять-шесть часов дно колбы покрывается вязким, желтоватым веществом. Это — новый, только что родившийся полимер. Ученые будет исследовать его свойства, и, быть может, они окажутся такими, создать которые они давно мечтали.
Что же произошло в колбочке? Что это за жидкость, так быстро и легко собравшая маленькие молекулы в полимер? Это — перекись третичного бутила. Пламя спиртовки разрушило ее молекулы, заставило распасться на водород и так называемые радикалы — группы, очень активно вступающие в реакции. Они атакуют молекулы мономера, отнимают атом водорода и присоединяют его к себе. А лишенные водорода молекулы мономера также становятся свободными радикалами, и поскольку им нападать не на кого, соединяются с такими же осколками молекул. Рождается удвоенная молекула — димер. Вновь в колбу течет струйка перекиси и вновь отнимается от димера атом водорода, а разрушенные димеры, соединяясь друг с другом, образуют тетрамеры — учетверенные молекулы. Если продолжить этот процесс, соединивший в себе разрушение и созидание, то тетрамеры объединятся в восьмимолекулярные октамеры и, наконец, в полимеры.
Это идет реакция полирекомбинации. Действие перекиси на органические соединения было известно и раньше, но химики ограничивались получением димеров — сдвоенных молекул. В. В. Коршак и С. Л. Сосин теоретическими исследованиями и многочисленными опытами доказали, что при определенных условиях этот процесс может быть продолжен до образования высокомолекулярных соединений.
Более сотни новых веществ уже создано новым способом. Синтезированы полимеры из углеводородов, сложных эфиров, некоторых элементорганических соединений. К примеру, внимание, химиков давно привлек ферроцен. Его молекула состоит из атомов железа, заключенных между двумя углеводородными кольцами, так что получается своеобразный «сэндвич». Полирекомбинация превратила его в полимер, связав друг с другом кольца, между которыми заключено железо. Этот полимер с температурой размягчения четыреста градусов обладает удивительной механической прочностью. Есть у полирекомбинации еще одно преимущество.
Простые соединения — мономеры, исходные вещества для синтеза полимеров, получать не так просто. Чтобы создать нейлон, надо сначала из отходов нефтепереработки выделить бензол, превратить его в фенол, а затем в циклогексанол. Но и на этом промежуточные стадии получения мономера не заканчиваются. Циклогексанол окисляют, и только образовавшаяся при этом адипиновая кислота служит исходным веществом для синтеза полимера.
Полирекомбинация позволила миновать многие промежуточные стадии, значительно упростила синтез. Вспомните еще раз стакан и капроновую нить из него…
УГЛЕРОД-ТРИ
Среди всех веществ на Земле соединения углерода занимают особое, привилегированное место. В сочетании с водородом, кислородом, азотом, серой и фосфором он образует почти все органические вещества. Их известно более трех миллионов, природных и полученных искусственно, а теоретически возможно бесконечное множество. Это своеобразный язык, алфавит которого состоит всего из шести букв, а словарный запас непрерывно растет и уже не умещается в сотне объемистых томов. Сравните: минеральных, неорганических веществ, где есть все элементы менделеевской таблицы, — не более трехсот тысяч. Почему?
Соединения углерода необычайно мобильны. Одни и те же атомы в органических соединениях встречаются в разнообразных количествах и комбинациях, и каждая комбинация дает новое вещество с присущими только ему свойствами.
Но углерод имеет еще одну удивительную способность. Со своими собратьями он объединяется в молекулу разными способами. Трудно представить себе, что матово-серый мягкий графит — родной брат сверкающего алмаза, самого твердого в природе вещества. Они построены из совершенно одинаковых кирпичиков, углеродных атомов, а контрастность их свойств обусловлена разным строением. Алмаз — это жестко сплетенная сетка. Каждый атом углерода протягивает свои четыре руки-связи четырем соседям, и все атомы оказываются соединенными одинаковой, простой связью (или, как ее называют химики, ординарной связью).
Другое дело графит. У каждого атома углерода там три соседа, и потому одному из них он должен отдать сразу две руки, так что получается чередование ординарных и двойных связей.
Но если существуют два типа связи, может быть, можно получить и третий, тройную связь? Теоретически углерод способен к такому соединению. А это значит — есть надежда получить новый класс соединений, множество удивительных веществ.
В огромных, дышащих жаром электропечах (температура там более трех тысяч градусов) спекают окись кальция и уголь. Получают карбид кальция, который при реакции с водой превращается в ацетилен. Молекула ацетилена слагается из двух атомов углерода и двух водорода, и потому каждый атом углерода должен соединиться со своим собратом тройной связью.
Но ацетилен — мономер; можно ли создать полиацетилен — сочетание сотни, тысячи тройных связей? Еще в начале прошлого века немецкий химик Байер пытался построить полиацетиленовую цепочку и получить «взрывчатый» алмаз. Почему «взрывчатый?» Дело в том, что огромная энергия, затраченная на производство ацетилена, пытается при его превращениях освободиться, и это часто приводит к взрывам. Ученый получил тетраацетилен — учетверенную молекулу ацетилена, но она оказалась удивительно непрочной, и в науке утвердилось мнение о невозможности синтеза этого вещества.
Прошли многие годы, и английские и немецкие химики соединили десять — двенадцать тройных связей. Но полимерные соединения по-прежнему оставались мечтой…
Тем не менее, полиины — соединения с тройной углеродной связью таки были созданы. Они вынудили ацетилен соединиться сначала в диацетилен, тетра-октаацетилен. Октаацетилен живет всего доли секунды, и потому трудно поймать его, заставить образовать полимер. Специально созданная среда, определенная температура, остроумно подобранные окислители принесли успех, сделали процесс управляемым.
Химики научились получать полиины не только из ацетилена, но и из других веществ. Замещая водород различными атомами или группами атомов, они создали множество соединений с очень интересными свойствами. Полиины оказались первоклассными полупроводниками.
Привычные нам полупроводники очень дороги и капризны. Даже при ничтожно малой загрязненности германий теряет свои драгоценные свойства. Вот почему искусственные полупроводники, дешевые и неприхотливые, выглядят прямо-таки как сбывшаяся мечта. Но этого мало. Ученые сумели не только синтезировать полупроводниковые вещества, но и регулировать их проводимость, вводя определенные группы в полииновую цепочку. Как и все полимеры, полиины хорошо переносят нагрев, а это до сих пор было «больным местом» природных полупроводников. Но кроме того, полиины имеют и фотоэлектрические свойства, способны быть катализаторами — далеко не все полимеры могут похвастать такими возможностями.
Одно открытие влечет за собой другое. Новорожденные соединения с тройной углеродной связью натолкнули исследователей на вопрос: что получится, если удалить, выгнать из молекулы полиацетилена водород так, чтобы осталась цепочка только из углерода? Теоретически это была возможность получить третью форму углерода!
Быть может, когда-то, много тысячелетий назад, это загадочное вещество было разбросано по Земле рядом со своими родственниками — графитом и алмазом. Но оно не могло сохраниться до наших дней, потому что химически менее стойко. Правда, это только на Земле, а в спектрах далеких туманностей и комет ученые обнаружили частицу С, рассказавшую о существовании там третьей формы углерода.
Автор: Э. Горбунова.