Да и химия довольствовалась ими в течение многих столетий. И лишь в последнее десятилетие она стала иметь дело с четвертым состоянием вещества. С плазмой.
Плазма, если хотите, тоже газ. Но газ необычный. В ее состав входят не только нейтральные частицы — атомы и молекулы, но также ионы и электроны. Ионизированные частицы присутствуют и в обыкновенном газе, и чем выше его температура, тем их больше. Поэтому четкой границы между ионизированным газом и плазмой нет. Однако условно считается, что газ превращается в плазму, когда начинает проявлять основные ее свойства, скажем высокую электропроводность.
Как ни парадоксально на первый взгляд, во вселенной плазма — хозяин положения. Вещество Солнца и звезд, газов космического пространства находится в состоянии плазмы. Это естественная плазма. На Земле же ее приходится готовить искусственно, в специальных устройствах, называемых плазмотронами. В них с помощью электрической дуги различные газы (гелий, водород, азот, аргон) превращаются в плазму. Поскольку светящаяся струя плазмы сжата узким каналом сопла плазмотрона и магнитным полем, то в ней развивается температура в несколько десятков тысяч градусов.
О таких температурах уже давно мечтали химики, ведь роль высоких температур для многих химических процессов трудно переоценить. Теперь эта мечта сбылась, и родилась новая отрасль химии — плазмохимия, или химия «холодной» плазмы.
Почему «холодной»? Да потому, что существует еще и «горячая» плазма, разогретая до миллионов градусов. Именно с ее помощью физики стремятся совершить термоядерный синтез — осуществить управляемую ядерную реакцию превращения водорода в гелий.
Химикам же вполне достаточно плазмы «холодной». Изучить, как протекают химические процессы при температуре в десять тысяч градусов, — что может быть заманчивее?
Скептики полагали: напрасен труд, ибо в столь накаленной атмосфере все до единого вещества ожидает одна участь — разрушение, диссоциация самых сложных молекул на отдельные атомы и ионы.
Истинная картина оказалась куда более сложной. Плазма не только разрушала, но и созидала. В ней охотно шли процессы синтеза новых химических соединений, и среди них таких, которые нельзя получить другими способами. Это были удивительные, не описанные ни в одной из химических книг вещества: Al2O, Ba2O3, SO, SiO, CaCl и прочие. Элементы проявляли в них непривычные, аномальные валентности. Все это было очень интересно, но плазмохимия ставила перед собой практически более важные задачи. Получать известные ценнейшие вещества дешево и быстро.
И вот несколько слов о ее достижениях.
Огромна роль ацетилена для многих процессов органического синтеза, скажем, для получения пластмасс, каучуков, красителей и лекарств. Но готовят ацетилен до сих пор по старинке: разлагают водой карбид кальция. Это и дорого и неудобно.
В плазмотроне дело обстоит по-иному. С помощью водорода создается плазма с температурой в 5000 градусов. Водородная плазменная струя несет свою громадную энергию в специальный реактор, куда подается метан. Метан интенсивно перемешивается с водородом, и в течение одной десятитысячной доли секунды более 75 процентов метана превращается в ацетилен.
Идеально? Бесспорно! Увы, всегда что-то мешает. Стоит оставить ацетилен на лишнее мгновение в высокотемпературной зоне плазмы, как он начнет разрушаться. Следовательно, необходимо стремительно понизить температуру до безопасной. Этого можно достичь различными методами, но здесь-то и заключается главная техническая трудность. Пока лишь 15 процентов образовавшегося ацетилена удается спасти от диссоциации. Но и это уже неплохо!
В лабораториях разработан способ плазмохимического разложения дешевых жидких углеводородов на ацетилен, этилен и пропилен.
На очереди стоит чрезвычайно важная проблема — фиксация атмосферного азота. Ведь химическое получение азотсодержащих соединений, например, аммиака, — дело трудоемкое, сложное и дорогое. Еще несколько десятилетий назад пытались в промышленном масштабе осуществить электросинтез окислов азота, но экономическая эффективность процесса оказалась весьма низкой. Плазмохимия в этом случае куда более перспективна.
Солнце в роли химика
Однажды Стивенсон, изобретатель паровоза, прогуливался со своим другом, геологом Бекландом, неподалеку от первой в Англии железной дороги. Вскоре они увидели поезд.
Скажи мне, Бекланд, — спросил Стивенсон, — что приводит в движение этот поезд?
— Рука машиниста, который управляет одним из твоих чудных локомотивов?
— Нет.
— Пар, который движет машину?
— Нет.
— Огонь, который разводят под котлом?
— Еще раз нет; им движет Солнце, светившее в ту отдаленную эпоху, когда жили растения, превратившиеся в уголь, который машинист подбрасывает в топку.
Все живое обязано своим происхождением Солнцу, а особенно растения. Попробуйте вырастить их в темноте: у вас получатся бледные тонкие нити вместо сочных зеленых стеблей. Именно под воздействием солнечного света хлорофилл (красящее вещество зеленого листа) превращает углекислый газ воздуха в сложные молекулы органических веществ, которые и составляют основную массу растения.
Значит, Солнце, вернее, его лучи, — главный «химик», который синтезирует в растениях все органические вещества? Казалось бы, именно так. Недаром процесс усвоения растениями углекислоты назван фотосинтезом.
Ведь известно, что под действием света происходят многие химические реакции. Даже специальная область химии есть, которая их исследует, ее называют фотохимией.
Но пока еще изучение фотохимических реакций не привело к созданию в лабораториях ни белков, ни углеводов. А ведь именно эти соединения являются первичными продуктами фотосинтеза растений.
Для синтеза очень сложных органических молекул растение на начальной стадии использует лишь углекислоту, воду и солнечный свет. Но, может быть, и еще что-то играет роль в этих процессах?
Представьте себе такую фабрику: по трубам в нее подаются сода, нефть, калийная селитра и так далее, а из ворот выезжают машины, груженные булками, колбасой, сахаром. Фантастика, конечно, но нечто подобное происходит в растениях.
Оказалось, что и у растений есть свои катализаторы. Они получили название ферментов. И каждый фермент заставляет реакцию идти только в определенном направлении. Получается, что при фотосинтезе работает не один «химик» — Солнце, но и его коллеги — ферменты (катализаторы). Солнце предоставляет энергию, необходимую для реакции, а ферменты направляют реакцию в нужную сторону.
И хотя мы еще не можем отобрать у природы, в частности у растений, их «патентов» на производство многих веществ, но заставить работать в нужном для нас направлении в ряде случаев уже умеем. В частности, здесь ученым помогло изучение процессов фотосинтеза. Совсем недавно было обнаружено, что при освещении светом различных длин волн растения в процессе фотосинтеза образуют вещества различной химической природы. Так, если их освещать красно-желтыми лучами, основными соединениями, получающимися в результате фотосинтеза, будут углеводы. Если синими — образуются белки.
Это позволяет надеяться, что в недалеком будущем люди смогут получать необходимые им сложные органические соединения с помощью растений в значительных масштабах. Ведь в самом деле, вместо того чтобы строить фабрики и заводы, оснащать их уникальным оборудованием, разрабатывать сложнейшую технологию синтеза, достаточно построить теплицы и регулировать интенсивность и спектральный состав световых лучей. А растения сами создадут все, что необходимо: от простейших углеводов до сложнейших белков.
Два варианта химических пут
В существовании атомов не сомневались многие ученые даже самой седой старины. Но как они, эти атомы, связаны друг с другом в веществе? На сей счет философская мысль либо хранила молчание, либо пускалась в плавание по морю фантазии.
Знаменитый французский естествоиспытатель Декарт, например, так представлял себе связь между атомами. У одних атомов существуют выступы наподобие крючков; другие — наделены петельками. Крючочек цепляется за петельку, два атома объединяются.
Пока люди не знали толком, как устроен атом, все их представления о связи атомов, о химической связи оставались беспочвенными. Отыскать истину ученым помог электрон. Однако не сразу. Открыли электрон в 1895 году, а попытки объяснить с его помощью химическую связь сделали лет эдак двадцать спустя. Когда разобрались, как именно электроны распределяются вокруг атомного ядра.
Не все атомные электроны в химической связи участвуют. Только те, что расположены во внешней или на крайний случай во внешней и предшествующей ей оболочках.
