О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики
Шрифт:
Глава 16 ТЕ, КТО ВСЕГДА ПОТОРАПЛИВАЮТ
В одной из моих первых научно-популярных статей, предназначенных для широкого круга читателей (как давно это было, кажется, в далеком Средневековье), упоминалось о «ловких волшебниках-катализаторах».
Дочитав до этой фразы, мой редактор замер, причем вовсе не от восхищения (хотя, откровенно говоря, я ожидал именно этого — сравнение казалось мне необыкновенно удачным). Но он обратил на меня суровый взгляд и непререкаемым тоном изрек: «В науке нет ничего волшебного. В ней могут быть загадки, тайны, иногда необъяснимые; но
Думаю, вы поймете, как неприятно было мне получить урок — и от кого? — от редактора! Но тем не менее, урок был хорош, и я его запомнил.
Но каким образом можно описать работу катализаторов, не призывая на помощь волшебство? Проблема!
Одним из первых опытов, выполняемых начинающим химиком в лаборатории высшей школы, является получение кислорода путем нагрева хлорноватокислого калия (бертолетовой соли). Если бы нагреву подвергалась только бертолетова соль, кислород, конечно, выделялся бы, по медленно при сравнительно высоких температурах. Поэтому начинающий химик получает указание прежде всего добавить немного двуокиси марганца. Когда нагреву подвергается смесь, выделение кислорода идет быстро и при сравнительно низких температурах.
В чем же заключается роль двуокиси марганца? Это вещество не участвует в реакции и после ее завершения остается в неизменном количестве. Но его присутствие ускоряет производство кислорода. Оно поторапливает реакцию, то есть является катализатором.
Но как можно объяснить этот эффект присутствия? Возможно, молекулы действуют на расстоянии? Или они осуществляют экстрасенсорное воздействие на бертолетову соль? Таково влияние ауры двуокиси марганца? Что это? Телекинез? Или нечто аналогичное? Короче, без волшебства тут не обошлось.
Что ж, давайте разберемся…
Я начну с самого начала (вы, конечно, заметили, что я всегда стараюсь так поступать) и первым делом скажу, что на протяжении веков химикам очень не хватало катализатора.
Алхимики древности искали методы превращения металлов в золото. Это им не удавалось, и потерпевшим очередную неудачу ученым казалось, что в проводимых ими реакциях чего-то не хватает. А ученые, обладавшие более богатым воображением, считали, что следует отыскать вещество для добавления в нагреваемую смесь (уж не знаю, из чего она состояла), которое заставит золото появиться. Небольшого количества такого вещества будет достаточно, чтобы получить много золота; после чего это вещество, вне всякого сомнения, можно будет использовать снова.
Это вещество никто никогда не видел, однако его описывали как нечто сухое, земное. Древние алхимики дали ему название xerionот греческого слова сухой.
В VIII веке алхимией вплотную занялись арабы и назвали этот золотопроизводящий катализатор al-iksir (сухойпо-арабски). Когда в XIII веке арабская алхимия добралась до Европы, al-iksirстал эликсиром.
Чтобы убедить общественность, что это сухое твердое вещество, в Европе его назвали «философский камень».
Удивительный эликсир обязан был обладать и другими замечательными свойствами, поэтому постепенно ему стали приписывать способность излечивать любые болезни и даже дарить бессмертие. И со временем алхимики начали говорить об «эликсире жизни».
Веками все, кому не лень, искали философский камень и/или эликсир жизни, но не находили. Когда же катализатор, наконец, был обнаружен, он способствовал образованию не приятно радующего глаз желтого металла, а едкой и чрезвычайно опасной серной кислоты. А вы не знали?
До 1740 года производство серной кислоты было процессом очень сложным, длительным и дорогостоящим. Теоретически все было просто. Сначала необходимо сжечь серу в кислороде и получить двуокись серы SO 2, затем продолжить жечь уже двуокись серы и получить трехокись SO 3. Осталось только растворить SO 3в воде, и серная кислота Н 2SO 4готова. Загвоздка заключалась в том, чтобы заставить двуокись серы соединиться с кислородом. Этот процесс шел медленно и трудно.
В 40-х годах XVIII века английский изготовитель серной кислоты по имени Джошуа Уорд, по всей вероятности, заметил, что селитра (нитрат калия), хотя сама является веществом негорючим, заставляет углерод и серу гореть намного активнее. (В действительности углерод, соединяясь с селитрой, образует порох.) Он начал добавлять селитру в горящую серу и обнаружил, что теперь может получать достаточное количество трехокиси серы без особых проблем и изготавливать серную кислоту просто и дешево.
Самым удивительным было то, что после завершения реакции селитра оставалась в первоначальном количестве и не изменяла свои свойства. Уорд запатентовал свое изобретение, а стоимость производства серной кислоты резко упала и составила 5 % от первоначальной.
Волшебство? Нет, пожалуй.
В 1806 году два французских химика, Шарль Бернар Дезорм и Никола Клеман, предложили объяснение этому процессу. Выдвинутый ими принцип просуществовал до наших дней.
Судя по всему, когда сера и селитра горят вместе, двуокись серы взаимодействует с частью молекул селитры и образует сложное соединение. Кислород переносится из «селитровой» части соединения к серной, после чего молекулы разрушаются и образуется уже трехокись серы.
То, что осталось (фрагменты селитры минус кислород), отбирают недостающий кислород из атмосферы. Восстановленные молекулы селитры готовы снова взаимодействовать со следующими молекулами двуокиси серы и снова передать им кислород. Таким образом, задача селитры заключается в передаче кислорода из воздуха двуокиси серы, причем как можно быстрее. Она является обычным посредником и не изменяется после завершения реакции.
Удивительным фактом является не то, что катализатор ускоряет протекание реакции, не подвергаясь при этом изменениям, а то, что в этом можно заподозрить нечто волшебное. Сталкиваясь с подобными явлениями в повседневной жизни, мы и мысли о волшебстве не допускаем.
Например, вообразите картину: наполовину построенная кирпичная стена, в пяти футах от нее располагается груда кирпичей и емкость с раствором. Если это все, то в промежутке времени между 9 часами утра и 5 часами вечера ничего не изменится (разве что высохнет раствор).