углерод C

Углерод и его «родня»

Известно: среди всех обитателей таблицы Менделеева углерод занимает самое почетное место. У него самая большая «родня»: науке уже известно более тридцати миллионов соединений с углеродом. И тропа на этом не обрывается. Каждый месяц количество «родственников» увеличивается на тысячи. Соединения углерода — основа живой материи. Из них состоят растения, животные, человек.

Развитие химии углерода

В начале XIX века химия углерода, или, как ее обычно называют, органическая химия, стала самостоятельной ветвью науки. И заслуга в этом принадлежит, бесспорно, шведскому ученому Якобу Берцелиусу. Обосновывая свою точку зрения, он допустил, однако, ошибку. По его мнению, органические вещества, которыми построено все живое, не похожи на минеральные. Берцелиус утверждал, что «в живой природе элементы повинуются иным законам, чем в безжизненной», что вещества для создания живого создаются «под влиянием жизненной силы».

Якоб Берцелиус
Йенс Якоб Берцелиус

Куда он клонит? Ведь отсюда рукой подать до идеализма и поповщины, до признания бога — всевышнего творца, который будто бы только он может создавать живое!

Первым развеял это утверждение его ученик, немецкий химик Фридрих Вёлер, синтезировавший сначала щавелевую кислоту, а затем мочевину — продукты жизни живого организма.

фридрих вёлер
Фридрих Вёлер

Открытие Николая Николаевича Зинина

Но окончательно сокрушил идеалистические взгляды известный русский ученый Николай Зинин. В 1842 году он искусственно получил анилин — органическое соединение. А сырьем для его получения служил каменноугольный деготь — продукт отхода газовой промышленности. Метод, разработанный русским ученым, отличается не обыкновенным изяществом и простотой. Сначала из дегтя Зимин извлек бензол, затем действуя на него азотной кислотой, получил нитробензол — ядовитое маслянистое вещество, имеющее запах горького миндаля. Затем ученый воздействовал на этот промежуточный продукт сернистым аммонием. Нитробензол отдал ему свои атомы кислорода, а взамен получил атомы водорода. Вот и все. Появилось вещество, которое создавалось прежде только в лаборатории природы. «Реакция Зинина» — первая страница в великой книге синтетической химии, чудесам которой мы не перестаем удивляться и поныне. В Казанском университете, где работал ученый, до сих пор хранится пробирка с бензидамом (так Зинин назвал анилин).

Николай Николаевич Зинин
Николай Николаевич Зинин

Какова же судьба этого открытия? Через несколько лет, в мире возникла — анилинокрасочная промышленность, значительно обогатившая палитру природы. Английским химиком Перкиным, с помощью анилина была получена в 1856 году искусственная краска фиолетового цвета — мовеин. Почти одновременно с ним русским ученым Натансоном синтезирован фуксин — красная краска. А потом дошла очередь до пурпура, который с незапамятных времен добывали из моллюска мурекса, живущего в Средиземном море. Для краски одной королевской мантии приходилось вылавливать несколько тысяч ракушек. Пурпур же из каменноугольной смолы оказался лучше, красивее природного. Было синтезировано и индиго — «король красок». Коричневую сепию прежде «поставляли» морские каракатицы, а красная краска (кармин) создавалась жучками кошениль, живущими на листьях кактуса. Из корневищ тропической марены извлекался ализарин — ярко-красная краска. Теперь их получают искусственно на химических заводах так же, как и тысячи других красок, применяемых во многих отраслях промышленности. Все шире используются в народном хозяйстве «краски-хамелеоны», изменяющие свой цвет под действием кислот, щелочей или высокой температуры.

Открытие Зинина не только обогатило палитру природы. Анилин служит также сырьем для создания лекарств и других веществ. Гофман — отец анилиновой отрасли в Германии так оценил подвиг Зинина: «Если бы Зинин не сделал ничего более, кроме превращения нитробензола в анилин, то и тогда его имя осталось бы записанным золотыми буквами в историю химии».

Между прочим. Что там ни говори, а праздник красок на тканях не так уж долог. После стирок расцветка тускнеет. Пагубно для них длительное пребывание на солнцепеке — они выгорают. Химики поняли, в чем дело, и наладили выпуск так называемых активных красок. Они не линяют после стирки, не выгорают. Почему? Оказывается, такие краски вступают в химическое взаимодействие с волокнами и удерживаются на их поверхности за счет более прочных сил молекулярного сцепления.

К середине прошлого века ученые могли синтезировать десятки органических веществ. Но зачастую они действовали вслепую, на ощупь. Сказывалось отсутствие четкой теории. О настроениях ученых тогда, Вёлер говорил: «Органическая химия может в настоящее время кого угодно свести с ума. Она представляется дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть».

Положение и впрямь создалось трудное. Ученые могли определить, из чего построено вещество, а вот осуществить синтез – создание, им не всегда удавалось. Тут уж надо знать не только из каких элементов состоит тот или иной продукт, но и как эти атомы встроены в молекулу. Химики напоминали строителей, которые, имея стройматериалы, все-таки не могли возвести здание.

Значение работ Александра Михайловича Бутлерова

Труды гениального русского ученого Александра Михайловича Бутлерова сыграли роль широкой просеки в «дремучем лесу», вывели науку из тупика. Он опроверг выводы философа-идеалиста Канта, который утверждал, что познать строение молекул невозможно. На 36-м съезде немецких ученых, Бутлеров обнародовал свою замечательную теорию строения химических веществ. Когда он покидал трибуну, то мужи науки не рукоплескали ему. Им казалось, что молодой русский химик одурачивает их.

А Бутлеров спокойно глядел поверх седых голов, форменных пуговиц и орденов. Он проверил свою теорию сотнями опытов, много размышлял. За его плечами — глубокие исследования по окислению органических соединений, открытие уротропина. Им изучены эфирные масла. Бутлеров уверен: пройдет немного времени, и химики научатся создавать в своих лабораториях вещества, над которыми долгое время трудилась природа. Но они не остановятся на этом и вступят с ней в соревнование, получат продукты невиданных качеств и свойств.

Александр Михайлович Бутлеров
Александр Михайлович Бутлеров

Прав был русский ученый. Созданная им теория химического строения вещества вот уже на протяжении почти двести лет является неисчерпаемым источником открытий. Она сразу же получила боевое крещение, блестяще объяснив ряд вопросов, прежде совершенно непонятных. Вот такой пример. Последователи Берцелиуса были убеждены, что вещество меняет свои свойства лишь после того, как изменится его состав. Например, из определенного количества атомов, каких либо элементов может состоять только одно вещество. Но вдруг выясняется, что одинаковый набор атомов имеет и этиловый спирт, и диметиловый эфир. Приверженцев Берцелиуса это чрезвычайно обескуражило. А Бутлеров? Как он отнесся к такому парадоксу природы?

Ничего не обычного тут нет, — рассуждал ученый. — Из кирпича, досок, железа и стекла можно построить различные здания. Так же поступает и природа.

Это на самом деле так, достаточно взглянуть на их химические формулы. Это два совершенно различных вещества с одинаковым составом. Взгляните на два таких слова: «насос» и «сосна». Они состоят из одинаковых, но по-разному расположенных букв. По смыслу же слова совершенно непохожие друг на друга: механизм для перекачки жидкостей и дерево! Ту же картину мы наблюдаем и в изомерах.

Значение органической химии

Познав строение молекул, ученые получают теперь по планам, по «химическим чертежам» тысячи всевозможных веществ. Бутлеров фактически указал путь создания полимеров. Ему принадлежит честь открытия реакции полимеризации — одной из основных в современной химии.

Соревнуясь с природой, наука одерживает одну победу за другой. Взять хотя бы производство жиров. Что бы было, если бы современный мир по какой-либо причине остался бы без них. Что тогда произойдет? Настоящая катастрофа! Прекратится выпуск мыла, тканей, автомобильных покрышек, линолеума, замрут на земле самолеты, остановятся автомобили, станки и тепловозы. Из-за отсутствия красок не будут достроены жилые дома, кинотеатры, школы. Извечный враг металлов — коррозия — набросится на лишенные защитных пленок машины. Сельскохозяйственные вредители безнаказанно начнут пожирать молодые побеги и плоды.

А если промышленность не будет вырабатывать спирты и ароматические вещества? Без них тоже нельзя обойтись. Трудности возникнут неимоверные.

Ученые давно уже установили, что жиры — сложные соединения. Их молекулы построены в виде ветвистых цепочек, образуемых углеродными атомами. Если обработать жиры едкой щелочью или прокипятить их под большим давлением, то они легко разделятся на две части: на глицерин — бесцветную жидкость сладкого вкуса — и на жирные кислоты. Прежде их получали из пищевого сырья, ежегодно расходуя на производство моющих средств и смазки миллионы тонн растительных масел. Для получения только 100 тысяч тонн масла из подсолнечника нужно вырастить сырье на 300 тысячах гектаров плодородной земли. Посев, обработка и уборка семян на такой огромной площади под силу армии механизаторов в 20—30 тысяч человек. Допустим, погода сложилась благоприятная, урожай получен высокий и получено из подсолнечника 100 тысяч тонн масла. Это же капля в море! Нашей промышленности нужно гораздо больше сырья. Впрочем, так ли уж необходимы пищевые жиры для производства, скажем, мыла?

— Без них можно обойтись, — говорят химики.

Парафины

Чем же они заменили их? Парафином. Название у него латинского происхождения. В буквальном переводе «парвумаффинис» означает малодеятельный. К тому же классу относят и другие углеводороды метанового ряда — вазелин, горный воск и т. д. Их долгое время считали «предельными», «насыщенными». А предел насыщения связей в молекуле — это тупик.

К каким только уловкам не прибегали ученые, чтобы расшевелить их. Однако не добились толку. Поэтому вещества, содержащие 45 — 75 процентов парафиновых углеводородов, не использовались. За инертность они были прозваны «химическими мертвецами».

Михаил Иванович Коновалов
Михаил Иванович Коновалов

В конце XIX века парафинами заинтересовался русский ученый Михаил Иванович Коновалов. Он «воскресил» их, используя для их оживления азотную кислоту. Образовавшиеся в процессе нитрирования продукты стали проявлять высокую активность, охотно взаимодействовать с другими веществами. Это открытие получило название «реакция Коновалова». По его методу сейчас из парафиновых углеводородов вырабатывается огромное количество различных продуктов для промышленности и применения в быту. Русские ученые усовершенствовали процесс нитрирования. Оказалось, что выгоднее обрабатывать парафины окислами азота: и дешевле, и проще. Из нитропарафинов получают таким путем самые различные синтетические вещества — ацетон, винный спирт, олифу, уксусную кислоту, смазочные масла, мыло, топливо.

Особенно много жиров идет на производство мыла. Правда, теперь их вырабатывают из отходов нефтяной и коксохимической промышленности. Стоит заменить в молекуле жирной кислоты атом водорода атомом натрия, и маслянистая жидкость превращается в твердое вещество — в мыло. Что такое: «отстирал грязь», «дочиста отмыл руки», и т. д. Ну а как же протекает процесс стирки? Почему «отмывает» мыло? Дело в том, что грязь на ткани или на поверхности кожи — не что иное, как прилипшие к жировой пленке частицы пыли. Даже горячая вода не всегда может их смыть, так как жир не смачивается ею. А мыло, попавшее в воду, сразу же расщепляется на свободную щелочь и жирную кислоту. Ведут они себя в жидкости по-разному. Щелочь набрасывается на грязь, прилипшую к ткани и коже, и бесцеремонно отрывает ее от поверхности. Жирная же кислота подхватывает частицы пыли, «связывает» их и уносит прочь.

Может сложиться впечатление, что во всех сортах мыла присутствует натрий. Нет, далеко не всегда. В молекулы органических кислот иногда вводят другие металлы. Присутствие калия позволяет получать так называемое зеленое, или жидкое, мыло, которое применяется в медицине в качестве обеззараживающего средства. Выпускается мыло с медью в головной части молекулы. Им лечат язвы, уничтожают сельскохозяйственных вредителей, его добавляют в краску, для покраски днищ кораблей. Или свинцовое мыло. Из него приготовляют пластыри, прикладываемые к нарывам и ранам. Цинковые и ртутные мыла — порошки, употребляемые в качестве присыпки. Кобальтовые, никелевые и кадмиевые мыла нужны для производства непромокаемой кожи и бумаги. А магниевым мылом чистят шелковые ткани.

А как оживляют «химических мертвецов»? Исследуя жирные насыщенные кислоты, выделенные из природного жира, ученые обратили внимание на их удивительное сходство с парафино-углеводородами. Только в молекулах кислот дополнительно, присутствовал кислород, двумя атомами. Вначале ученые попытались внедрить в молекулу парафина атомы кислорода, используя высокое давление в сочетании с высокой температурой. Процесс был слишком громоздким, а самое главное — жирных кислот получалось мизер. Тогда стали окислять парафины кислородом воздуха в присутствии катализаторов. Дело сразу упростилось. При таком способе 85 процентов углеводородов метанового ряда превращаются в жирные кислоты. Процесс окисления полностью автоматизирован.

Между прочим. Оказывается, вначале для производства первых стиральных порошков использовался китовый жир. Целые флотилии бороздили океаны, охотясь за кашалотами. А сейчас вместо китового жира используется парафин, с которым долгие годы боролись нефтяники, выскребая его из труб.

Спирты

Промышленность выпускает в наши дни из преображенных парафиновых углеводородов сотни тысяч тонн искусственных смазочных материалов. В них нет ни грамма пищевого жира! Окисляя парафиновые углеводороды, можно получать спирты. Не все они — пьянящие жидкости. Среди них встречаются сладкие и горькие, жидкие и твердые, безвредные и опасные для жизни. Скажем, метиловый спирт (СНзОН), вырабатываемый в процессе сухой перегонки дерева, ядовит. Он вызывает слепоту, а при больших дозах — смерть. В то же время это прекрасный растворитель, исходный продукт для производства других органических веществ. Если добавить к молекуле метилового спирта еще один атом углерода и два атома водорода, и яд превратится в этиловый спирт (СН3СН2ОН). Его получают тремя способами: из зерна и картофеля путем брожения, из древесных опилок гидролизом и из этилена с применением катализаторов. В последнем случае реакция заключается в том, что к газу присоединяется вода.

Этиловый спирт широко используется в технике. Из него вырабатывают синтетический каучук, уксусную кислоту, горючее.

Ценными техническими продуктами являются также спирты, содержащие несколько гидроксильных групп. К числу их относится этиленгликоль (от греческого слова «гликис» — сладкий). Если добавить в него 40 процентов воды, то получится «незамерзающая» жидкость «антифриз» которую заливают зимой в радиаторы авиационных и автомобильных моторов. Незаменим он и в производстве синтетического волокна. Трехатомный спирт — глицерин — используется в парфюмерной промышленности для приготовления косметических мазей, мыла. Он идет также на производство взрывчатых веществ. Им сдабривают вина и ликеры.

Ароматические углеводороды

Есть еще соединения, в молекулах которых углерод расположен по углам шестиугольника, называемого обычно кольцом. Созданные на основе этого кольца углеводороды именуются циклическими. За всем семейством закрепилось название – ароматические, потому что некоторые из них имеют приятный запах, хотя другие могут быть совсем без запаха или пахнущие отвратительно. Изучению таких веществ много сил отдали академик Николай Дмитриевич Зелинский и его ученики. Благодаря их работам появилась возможность превращать нафтены — соединения углерода с водородом, молекулы которых построены в виде колец, — в бензол, толуол, фенол, антрацен и другие ароматические вещества. И, что особенно ценно, они научились получать их при сравнительно низких температурах и давлениях. А жар, как было установлено, сокрушает тонкие молекулярные постройки, словно стальной прут стекло. Правда, среди образовавшихся обломков попадаются порой «кирпичики», пригодные для создания нужных веществ. Но, разрушать для того, чтобы строить из остатков, по меньшей мере, неразумно.

Как же поступили ученые? Они стали вести процесс в присутствии катализаторов. При их посредничестве удается получать ароматические вещества из некоторых спиртов и парафинов, имеющих открытые ветвистые молекулярные цепи. Присоединяя затем различные атомы к углам «колец», химики образовали многие ценные продукты. Так, нафталиновое кольцо породило множество отличных красок. Амиловый спирт дал начало производству снотворного вещества — амиленгидрата. Из ароматических аминов осуществляется синтез других фармацевтических препаратов, взрывчатых веществ.

Между прочим. Лимонную кислоту можно получать из… хлопчатника. Да, да! Делается это так. Отходы хлопчатника загружают в резервуар и заполняют его серной кислотой. Происходит окисление. Затем добавляют мел, после чего раствор частично нейтрализуется. После ряда дополнительных операций полученный продукт поступает в центрифуги. При их вращении жидкие частицы отделяются от твердых. Затем раствор нагревают, и из него выпадают кристаллики лимонной кислоты. По своим качествам она не уступает кислоте, полученной из лимона. Что бы изготовить килограмм искусственной кислоты, требуется 60 килограммов отходов хлопчатника.

Тиофен

Очень интересные исследования проведены советским ученым Я. Л. Гольдфарбом и его сотрудниками. Они научились получать из тиофена — никчемной, мешавшей химикам примеси в бензоле — различные вещества, начиная с лекарственных препаратов и кончая ускорителями реакций.

Молекула тиофена состоит из четырех связанных в кольцо атомов углерода и одного атома серы, причем к каждому атому углерода приставлен часовой — атом водорода. В ходе реакций их место могут занять гак называемые функциональные группы атомов, обладающие самыми различными свойствами. Ученые заметили, что охотнее всего взаимодействуют два атома водорода, ближе других находящиеся к сере. Вот их-то пыл надо поумерить. Только заменив соответствующими функциональными группами «часовых» дальних постов, можно получить из тиофена очень нужные продукты, скажем, стимуляторы роста растений.

Каким же путем удается вести реакции в нужном русле? Профессор Я. Л. Гольдфарб блокировал чересчур общительные атомы хлористым алюминием, который в данном случае выполняет роль щита, прикрывающего их от внешнего воздействия. В то же время наиболее устойчивые атомы оказываются открытыми, а значит, и уязвимыми. Теперь с ними справиться легче. Стоит ввести бром в раствор, и водород покидает свое место. Но атомы брома ненадежные «сторожа». При первой же возможности они уступают пост функциональным группам.

Если присоединить к тиофеновому кольцу еще одно, а потом удалить атом серы, которая выполняет роль мостика между двумя атомами углерода, то появится новое вещество с запахом мускуса — ценнейшего парфюмерного продукта. Так, познав законы атомной архитектуры, химики создают соединения с заранее заказанными свойствами. А тиофен привлек их внимание своим мягким, покладистым «характером». К тому же запасы его в нашей стране неисчислимы. Он содержится в сернистых сланцах Поволжья. Получают его и синтетическим путем из угля и нефти.

Многие тайны природы разгадали химики. Но, видимо, никогда не настанет время, когда у нее нечего будет позаимствовать и творчески усвоить. Ученые так и поступают: не просто копируют «технологию» естественных процессов, а стараются создать свою, более совершенную и рациональную.