Книжка в розовом переплете
Я очень хорошо помню эту книжку. Ее принес в дом моего детства недавно вернувшийся из армии, да еще и с фронта, дядя, искавший себе гражданское занятие. Книжка называлась «Пособие по химии для поступающих в техникумы», и для 1948-49 гг. была прекрасно издана: в тонкую, но очень плотную, до твердости, обложку переплетена толстенькая проклеенная по боковой стороне тетрадочка из яркобелых, - до голубизны, - тоже тончайших листков бумаги, испещренных очень тонкими, изящнейшими, и отнюдь не мелкими буквами.
Эта ее эстетичность произвела на меня такое сильное впечатление, что я, в отличие от дяди, книжку благоговейно прочитал и даже что-то понял. Таким образом, первой самостоятельно прочитанной в жизни книгой стал для меня томик Лермонтова, а второй – «Пособие по химии». Это было первое открывшееся мне научное знание, и оно оказалось прекрасным.
Вот ведь, оказывается, как – все бесконечное разнообразие мира построено из атомов сравнительно немногочисленных химических элементов, соединенных в молекулы химическими связями! Еще удивительнее то, что все это можно описать с помощью формул. И формула воды навсегда впечаталась в детскую память не только как символ конкретного вещества, но и как символ любой другой молекулы.
Кратные отношения
Много позже, уже в школе, пришло знакомство с законом кратных отношений, выражающем собой суть понятия химической связи: если два элемента образуют между собой несколько химических соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся друг к другу как небольшие целые числа. Строго говоря, к числу «истинно» химических связей относятся только ионная (когда один атом отдает свои электроны другому) и ковалентная (возникающая вследствие обмена между атомами ковалентными электронами) связи. Именно для них выполняется закон кратных отношений.
На заре развития химии о физической природе связей между атомами и молекулами еще ничего не было известно, и считалось, что закон кратных отношений выполняется всегда. Но в конце ХIХ века было обнаружено, что гидрохинон способен поглощать многие газообразные соединения, не вступая с ними в химические реакции. Возникало связанное состояние двух веществ, но ни о каком законе кратных отношений не могло быть и речи. На эти состояния смотрели как на некую странную экзотику и не обращали на них большого внимания, часто даже не относя их к области химии. Ими и сегодня занимается раздел химии под названием «супрамолекулярная химия», т.е. как бы даже и не совсем «химия».
Не совсем химия
Впоследствии оказалось, что такие «экзотические» вещества очень широко распространены в природе и обладают очень интересными свойствами. А их объяснение и понимание пришло вместе с пониманием того, что два вещества можно связать друг с другом не только с помощью ионной или ковалентной связи. Существуют и другие способы.
Рис. 1 Решетка с «клетками»
Посмотрите на рисунок, взятый автором из статьи профессора МГУ Андрея Шевелькова. На нем показана хитрая кристаллическая решетка вещества, химическая формула которого написана наверху рисунка. Эта решетка содержит в себе «клетки», построенные из атомов сурьмы, достаточные по размеру, чтобы включить в себя атомы водорода. На рисунке показаны и «заточенные» в эти «клетки» атомы водорода. Глубокий смысл этой молекулярной конструкции в том, что расстояние между атомами водорода в ней очень мало по сравнению с тем же расстоянием в газовой фазе даже при высоком давлении. Примерно таким путем идут исследователи, пытаясь создать безопасный «бак» для водородного топлива автомобилей будущего.
Вещество, имеющее такие клетки, называется «хозяином», а заключенные в них атомы или молекулы – «гостями». Это не литературный образ – такова общепринятая научная терминология. А хозяева, принявшие гостей, вместе с гостями называются клатратами. Установить наличие этих «клеток» в ХIХ веке было невозможно, это было сделано уже в ХХ методами ренгеноструктурного анализа.
Почему атомы водорода «залезают» в эти клетки? Они это делают потому, что энергия системы «хозяин» плюс «гости» в связанном состоянии оказывается меньшей, чем в не связанном. Для того, чтобы «гостей» оттуда «вынуть», надо затратить некоторую энергию, хотя никаких «истинных» химических связей между хозяином и гостями нет.
Очень важную роль играет здесь соответствие размеров и формы клеток хозяина размерам и форме гостей: гости не приходят в ненадлежащие «помещения».
Супрамолекулярная химия знает и другие способы «сцепления» между различными веществами, однако в любом случае они должны «подходить» друг к другу, как ключ к замку. Те же принципы соответствия – комплементарности – ответственны и за формирование двойной спирали ДНК, и за иммунные реакции организма. Собственно говоря, именно стремление исследователей реализовать аналогичные процессы в искусственных системах и привели к формированию в 80-90-е годы прошлого века области науки, названной супрамолекулярной химией. Выдающийся вклад в нее сделал лауреат Нобелевской премии Жан Мари Лен.
На образование клатратов можно посмотреть как на обратимый процесс самосборки сложных молекулярных систем. Обратить его можно, введя в клатрат энергию, достаточную для выхода гостей. Это, конечно, не то же самое, что и дрекслеровские ассемблеры и дизассемблеры, но все же – нечто такое – намекающее на то, что идея Эрика Дрекслера об этих штуках, собирающих вещество из атомов и разбирающих его на них же, в конечном счете, может оказаться и не совсем бредовой.
Рис. 2 Жан Мари Лен
Горючий лед
Молекулы воды часто оказываются способными образовывать клетки вокруг молекул природного газа, образуя своеобразные клатраты, именуемые газовыми гидратами. Это не какая-то редкая экзотика, - при определенных термобарических условиях, т.е. при определенных температурах и давления, они образуются всегда.
Так получается «лед», в ячейках которого «сидят» молекулы газа, а его температура плавления может оказаться намного выше 0 по Цельсию. Кроме того, этот лед горит. Известный всем «сухой спирт», прозванный так за сходство его пламени со спиртовым, представляет собой как раз такой горючий газовый гидрат.
Когда по газопроводу идет слишком влажный газ, а термобарические условия окажутся подходящими, в нем могут образовываться газогидраты, закупоривающие газопровод. По виду такая пробка напоминает плотный снег, но только он не тает при обычных температурах теплого летнего дня. Ну и, опять же, - горит. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах газ перед транспортировкой сушат – очищают его от паров воды. Способ простой и эффективный: нет воды – нет и гидратов.
В морских и океанских глубинах в газогидратной форме содержатся огромные запасы метана, который мог бы использоваться в качестве топлива. Однако эти газогидраты образуются в глубоководных условиях, при высоких давлениях. А будучи извлеченными на поверхность, они теряют устойчивость и становятся чрезвычайно взрывоопасными. В ряде стран, в первую очередь в Японии, давно предпринимаются попытки создания безопасной технологии извлечения этого метана из океанских глубин, но победных реляций до сих пор не слышно. Этот же метан подозревается и в том, что он, являясь парниковым газом, дает значительный вклад в глобальное потепление.
Газогидратам можно найти и другие очень интересные применения. Одно из самых интересных – опреснение морской воды. Когда в подходящих термобарических условиях встречаются друг с другом газ и морская вода, газ и вода связывают друг друга, а соль вместе с остатком морской воды как бы «выпадает в осадок». Точнее, газогидрат, будучи твердым веществом, выпадает в осадок или всплывает, и без труда отделяется, после чего его можно легко разрушить и получить пресную воду. Как полагают оптимисты, стоимость такой воды может приблизиться к стоимости пресной воды, добытой из естественных источников. Впрочем, оптимисты говорили об этом давно, а вода все дорожает – даже добытая из естественных источников.
На самом деле эта технология годится не только для воды, она имеет более общий характер. Если у нас есть жидкая смесь, то практически для каждого ее компонента можно подобрать «пару», образующую с ним клатрат. Выделив этот клатрат, можно выделить с ним и нужный компонент.
Два в одном
Клатраты представляют собой достаточно сложные системы, в которых взаимодействие между двумя их подсистемами – хозяином и гостями – может быть сделано весьма малым. В этом случае они будут вести себя почти независимо друг от друга. А это означает, что каждую из них можно оптимизировать независимо от другой по какому-то избранному параметру. Таким способом можно получать материалы с удивительными, иногда просто парадоксальными, свойствами.
Например, в обычных проводящих материалах электропроводность и теплопроводность связаны друг с другом, и либо они обе малы, либо обе велики. Но если материал представляет собой полупроводниковую решетку хозяина, в клетках которой находятся гости, решетку хозяина можно оптимизировать так, чтобы в ней была максимальной электропроводность, а за счет гостей добиться минимума теплопроводности. Вот вам и материал с парадоксальными свойствами.
Этот пример отнюдь не академический: такой материал очень нужен для термоэлектрических охлаждающих элементов, находящих сегодня применение в портативных холодильниках и в системах охлаждения процессоров ноутбуков. Его применение не только позволит улучшить параметры этих устройств, но и распространить их применение на бытовые холодильники, что позволит убрать из них хладоагент и компрессор. Такой холодильник будет бесшумным, экологически чистым, экономичным и практически вечным. А все потому, что клатратный термоэлектрический материал обеспечит высокую эффективность теплоотвода за счет высокой электрической проводимости (тепло уносит электрический ток), и в то же время не позволит этому теплу возвращаться обратно из-за низкой теплопроводности.
Комментариев нет:
Отправить комментарий