Сюрпризи вуглецю

У склянку налили дві рідини, одну за одною. Миттєво грань між ними затягнулася прозорою, ледь помітною плівкою. Дерев’яна паличка опустилася в склянку, і ось вже на її кінці білий наліт щойно виниклої речовини. З паличкою в руці ви відходите на крок, два, а нитка, як найтонша павутина, тягнеться за вами. І якщо нескінченність різнобарвної стрічки фокусника – ілюзія, то ця нитка, народжена в лабораторії, дійсно не має кінця. Додайте «чарівної» рідини – і можете огорнути срібно-димчастою хмарою всю лабораторію.

Що ж це за нить? Не дивуйтеся – капрон. Так, той самий капрон, з якого роблять панчохи, блузки, надзвичайно міцні тканини. Зараз його виробництво – уособлення складності. Воно пов’язане з величезними, наповненими хитромудрою апаратурою цехами. Але ось ниточка зі склянки…

Дотепер отримувати довгі молекули полімерів допомагали дві реакції – полімеризація і поліконденсація. Вони вірно служать і будуть служити хімікам. Уявіть собі, що чотирьохвалентний вуглець об’єднаний в молекулу не з чотирма одновалентними атомами іншого елемента, як це йому годиться, а з двома. Тоді у нього залишаються два вільні зв’язки, які він віддає сусідній молекулі. Виходить так званий подвійний зв’язок. Він дуже міцний. Під дією високих тисків, температур або хімічних посередників – каталізаторів – він руйнується, прості молекули з’єднуються між собою в довгі ланцюжки полімерів.

Але перед речовинами, позбавленими подвійного зв’язку, вона безсила. І тоді хіміки закликають на допомогу поліконденсацію.

Всім добре знайомий представник поліамідів – нейлон або поліефірів – лавсан. Вони подаровані реакцією поліконденсації. А кремнійорганічні полімери? Дивовижні речовини, що з’єднали в собі живу і неживу природу, теж дала ця реакція. Для поліконденсації потрібно, щоб у складі молекули вихідної речовини була так звана функціональна група.

Але далеко не завжди в молекулі речовини є функціональна група або нестійкий подвійний зв’язок, і тому лише сорок-п’ятдесят мономерів використовуються для побудови молекул-гігантів. А природа давно дражнить вчених дивним різноманіттям органічних сполук – їх не менше мільйона.

Як освоїти речовини, які не бажають ставати полімерами «класичним» шляхом? Багато хіміків світу намагаються знайти рішення цього важкого завдання.

ГІГАНТИ – НОВИМ СПОСОБОМ

Кулясті колби, кручені трубки з’єдналися в химерний, крихкий пристрій. В одну з колб помістили білясту речовину, а десь зверху тоненькою цівкою ллється рідина. Біляста речовина – мономер. Вчені будують з нього молекули-гіганти. Через п’ять-шість годин дно колби покривається в’язкою, жовтуватою речовиною. Це – новий, щойно народжений полімер. Вчені будуть досліджувати його властивості, і, можливо, вони виявляться такими, створити які вони давно мріяли.

Що ж відбулося в колбочці? Що це за рідина, так швидко і легко зібрала маленькі молекули в полімер? Це – перекис третинного бутилу. Полум’я спиртівки зруйнувало її молекули, змусило розпастися на водень і так звані радикали – групи, що дуже активно вступають у реакції. Вони атакують молекули мономера, віднімають атом водню і приєднують його до себе. А позбавлені водню молекули мономера також стають вільними радикалами, і оскільки їм нападати не на кого, з’єднуються з такими ж осколками молекул. Народжується подвоєна молекула – димер. Знову в колбу тече цівка перекису і знову віднімається від димеру атом водню, а зруйновані димери, з’єднуючись один з одним, утворюють тетрамери – четвертині молекули. Якщо продовжити цей процес, що з’єднав у собі руйнування і творення, то тетрамери об’єднаються в восьмимолекулярні октамери і, нарешті, в полімери.

Це йде реакція полірекомбінації. Дія перекису на органічні сполуки була відома і раніше, але хіміки обмежувалися отриманням димарів – здвоєних молекул. В. В. Коршак і С. Л. Сосин теоретичними дослідженнями і численними дослідами довели, що за певних умов цей процес може бути продовжений до утворення високомолекулярних сполук.

Більше сотні нових речовин вже створено новим способом. Синтезовано полімери з вуглеводнів, складних ефірів, деяких елементорганічних з’єднань. Приміром, увагу, хіміків давно привернув фероцен. Його молекула складається з атомів заліза, укладених між двома вуглеводневими кільцями, так що виходить своєрідний «сендвіч». Полірекомбінація перетворила його в полімер, зв’язавши один з одним кільця, між якими укладено залізо. Цей полімер з температурою розм’якшення чотириста градусів володіє дивовижною механічною міцністю. Є у полірекомбінації ще одна перевага.

Прості з’єднання – мономери, вихідні речовини для синтезу полімерів, отримувати не так просто. Щоб створити нейлон, треба спочатку з відходів нафтопереробки виділити бензол, перетворити його на фенол, а потім у циклогексанол. Але й на цьому проміжні стадії отримання мономера не закінчуються. Циклогексанол окислюють, і тільки що утворена при цьому адипінова кислота служить вихідною речовиною для синтезу полімеру.

Полірекомбінація дозволила минути багато проміжних стадій, значно спростила синтез. Згадайте ще раз склянку і капронову нитку з нього…

ВУГЛЕЦЬ-ТРИ

Серед всіх речовин на Землі сполуки вуглецю займають особливе, привілейоване місце. У поєднанні з воднем, киснем, азотом, сіркою і фосфором він утворює майже всі органічні речовини. Їх відомо більше трьох мільйонів, природних та отриманих штучно, а теоретично можливо нескінченна безліч. Це своєрідна мова, алфавіт якої складається всього з шести букв, а словниковий запас безперервно зростає і вже не вміщується в сотні об’ємистих томів. Порівняйте: мінеральних, неорганічних речовин, де є всі елементи менделєєвської таблиці, – не більше трьохсот тисяч. Чому?

З’єднання вуглецю надзвичайно мобільні. Одні й ті ж атоми в органічних сполуках зустрічаються в різноманітних кількостях і комбінаціях, і кожна комбінація дає нову речовину з притаманними тільки їй властивостями.

Але вуглець має ще одну дивовижну здатність. Зі своїми побратимами він об’єднується в молекулу різними способами. Важко уявити собі, що матово-сірий м’який графіт – рідний брат блискучого алмаза, самої твердої в природі речовини. Вони побудовані з абсолютно однакових цеглинок, вуглецевих атомів, а контрастність їх властивостей обумовлена різною будовою. Алмаз – це жорстко пов’язана сітка. Кожен атом вуглецю простягає свої чотири руки-зв’язки чотирьом сусідам, і всі атоми виявляються з’єднаними однаковим, простим зв’язком (або, як його називають хіміки, ординарним зв’язком).

Інша справа графіт. У кожного атома вуглецю там три сусіда, і тому одному з них він повинен віддати відразу дві руки, так що виходить чергування ординарних і подвійних зв’язків.

Але якщо існують два типи зв’язку, може бути, можна отримати і третій, потрійний зв’язок? Теоретично карбон здатний до такого з’єднання. А це значить – є надія отримати новий клас сполук, безліч дивовижних речовин.

У величезних, дихаючих жаром електропечах (температура там більше трьох тисяч градусів) спекають окис кальцію і вугілля. Отримують карбід кальцію, який при реакції з водою перетворюється на ацетилен. Молекула ацетилену складається з двох атомів вуглецю і двох водню, і тому кожен атом вуглецю повинен з’єднатися зі своїм побратимом потрійним зв’язком.

Але ацетилен – мономер; чи можна створити поліацетилен – поєднання сотні, тисячі потрійних зв’язків? Ще на початку минулого століття німецький хімік Байєр намагався побудувати поліацетіленовий ланцюжок і отримати «вибуховий» алмаз. Чому «вибуховий?» Справа в тому, що величезна енергія, витрачена на виробництво ацетилену, намагається при його перетвореннях звільнитися, і це часто призводить до вибухів. Вчений отримав тетраацетилен – четвертну молекулу ацетилену, але вона виявилася напрочуд неміцною, і в науці утвердилася думка про неможливість синтезу цієї речовини.

Пройшло багато років, і англійські та німецькі хіміки з’єднали десятеро – дванадцятеро потрійних зв’язків. Але полімерні сполуки далі залишалися мрією…

Тим не менш, поліїни – з’єднання з потрійним вуглецевим зв’язком таки були створені. Вони змусили ацетилен з’єднатися спочатку в диацетил, тетра-октаацетилен. Октаацетилен живе всього частки секунди, і тому важко зловити його, змусити утворити полімер. Спеціально створене середовище, певна температура, дотепно підібрані окислювачі принесли успіх, зробили процес керованим.

Хіміки навчилися отримувати поліїни не тільки з ацетилену, а й з інших речовин. Заміщаючи водень різними атомами або групами атомів, вони створили безліч з’єднань з дуже цікавими властивостями. Поліїни виявилися першокласними напівпровідниками.

Звичні нам напівпровідники дуже дорогі і примхливі. Навіть при мізерно малій забрудненості германій втрачає свої дорогоцінні властивості. Ось чому штучні напівпровідники, дешеві і невибагливі, виглядають просто-таки як мрія. Але цього мало. Вчені зуміли не тільки синтезувати напівпровідникові речовини, але й регулювати їх провідність, вводячи певні групи в поліїновий ланцюжок. Як і всі полімери, поліїни добре переносять нагрів, а це досі було «болючим місцем» природних напівпровідників. Але крім того, поліїни мають і фотоелектричні властивості, здатні бути каталізаторами – далеко не всі полімери можуть похвалитися такими можливостями.

Одне відкриття тягне за собою інше. Новонароджені з’єднання з потрійним вуглецевим зв’язком наштовхнули дослідників на питання: що вийде, якщо видалити, вигнати з молекули поліацетилену водень так, щоб залишився ланцюжок тільки з вуглецю? Теоретично це була можливість отримати третю форму вуглецю!

Бути може, колись, багато тисячоліть тому, ця загадкова речовина була розкидана по Землі поруч зі своїми родичами – графітом і алмазом. Але вона не могла зберегтися до наших днів, тому що хімічно менш стійка. Правда, це тільки на Землі, а в спектрах далеких туманностей і комет вчені виявили частинку С, яка розповіла про існування там третьої форми вуглецю.

Автор: Е. Горбунова.