Наши чертоги

Тот дом хорош, где хороши обитатели.

ДЖОРДЖ ГЕРБЕРТ

Школьные учебники химии, справочники, пособия, учебники для студентов вузов, солидные монографии, научные статьи полны (или даже переполнены) сведениями о том, как устроены молекулы различных веществ и каким способом можно их получить. Гораздо реже можно встретить описание тех приборов, в которых получают эти соединения. Предполагается, как само собой разумеющееся, что если описана методика синтеза, то грамотный химик сам сумеет собрать нужный прибор. Это действительно так, впрочем, некоторые намеки на то, каким должен быть прибор, в методиках иногда присутствуют.

Но совсем не уделяется внимание тому, где именно совершаются все химические работы, т. е. описанию лаборатории. С точки зрения химика, ничего привлекательного в таком помещении нет, все самое интересное происходит в реакционном сосуде. Если какой-либо популярный журнал или научное издательство попросит авторитетного химика прислать фотографию, он, скорее всего, пришлет копию снимка на паспорт (похожего на те, которые именуют «Их разыскивает полиция»), в крайнем случае сфотографируется в своем рабочем кабинете у стола, заваленного бумагами, либо на фоне персонального компьютера. Согласитесь, что это полностью обезличивает профессию, точно так же можно сделать снимок на фоне дачного домика или личного автомобиля.

Тем не менее лабораторное помещение, где химики проводят основное время, вполне заслуживает внимания. Уважительный интерес можно встретить не у химиков, а у тех, кто пытается рассказать о химиках, – у журналистов, фотокорреспондентов или телеоператоров. Они всегда стараются сделать снимок или видеорепортаж на фоне сложных стеклянных приборов и непременно с булькающими в них цветными жидкостями. Если люди, далекие от химии, видят в обстановке лаборатории некую привлекательность, то, может быть, и химикам следует иногда взглянуть свежим взглядом на окружающее их пространство. Особенно интересно посмотреть, как это пространство менялось со временем.

Предшественница химии

Известно, что алхимия ставила своей целью получение золота из неблагородных металлов – ртути, меди, свинца и др. Дополнительной задачей было получение некоего философского камня, который, как полагали, позволит осуществить любые превращения веществ. По существу, алхимия была предшественницей всей современной химической науки. Пытаясь решить основную задачу, алхимики проводили множество различных опытов и накопили большое количество сведений о свойствах разнообразных веществ. Полученные знания оказались достаточно ценными независимо от основной цели. Алхимики изучили многие свойства известных в то время металлов – золота, серебра, олова, свинца, меди, железа и ртути. Во второй половине VIII в. были уже освоены такие химические процедуры, как растворение солей, фильтрование растворов, кристаллизация из растворов, перегонка жидкостей при нагревании, обжигание известкового камня с получением негашеной извести, плавление и сплавление металлов. Было освоено получение уксусной кислоты перегонкой прокисшего виноградного вина. При нагревании смеси трех солей – селитры, купороса и квасцов – с последующей отгонкой была получена жидкость, способная растворять серебро, медь, свинец (азотная кислота – HNO₃). При добавлении к смеси этих солей нашатыря (NH₄Cl) получалась жидкость, названная «царской водкой» из-за ее способности растворять золото (смесь соляной и азотной кислоты). Множество опытов проводилось с самородной серой, были получены сульфиды всех доступных металлов и описаны их свойства.

Рисунки в сохранившихся рукописях показывают, что основной процедурой было нагревание, позволявшее проводить дистилляцию (перегонку).

Такие рисунки можно условно рассматривать как иллюстрации к публикациям, они добросовестно изображают используемое оборудование, но не более того. Обстановку в самой лаборатории взяли на себя труд изобразить профессиональные художники.

Во все времена непосвященные люди воспринимали химию как некое колдовство или шаманство, что неизбежно сопровождалось удивлением и уважением. Всегда находились те, кто старался запечатлеть алхимиков и ту обстановку, в которой они свершают свое таинство. Благодаря этому мы имеем возможность познакомиться с сохранившимися гравюрами и живописными полотнами. На гравюрах (рис. 9.9) центральное место, как правило, занимают очаг или раздуваемая специальными мехами жаровня. У главного алхимика обычно несколько помощников, поддерживающих огонь, смешивающих и измельчающих вещества, сам маэстро показан погруженным в чтение алхимического трактата. Обычно всюду царит беспорядок, на полу разбросана различная утварь, при внимательном рассмотрении можно заметить простейшие измерительные приборы – песочные часы или чашечные весы, кроме того, видны непременные реторты. Реторта – универсальный прибор алхимиков, предназначенный для различных химических операций: перегонки, разложения, сплавления при высокой температуре. Долгое время реторта служила общепринятым символом химии.

На некоторых гравюрах (рис. 9.10) чувствуется отчетливое ироническое отношение автора к алхимику.

Гораздо более детально внутреннее убранство лаборатории передавали живописцы, которые в определенный момент почувствовали, что алхимическая лаборатория и связанное с ней нетерпеливое ожидание получить золото – прекрасный сюжет для картины. Основное внимание художника, естественно, было сосредоточено на тех эмоциях, которые владеют изображаемым лицом, однако давняя традиция многих художников – быть точными в деталях – позволяет нам рассмотреть всю обстановку. Алхимик, как правило, окружен различными символическими предметами (череп, глобус, подвешенное к потолку чучело животного), которые должны были помочь в поисках философского камня, а заодно произвести впечатление на непосвященных. Как в нынешние времена, так и ранее, экспериментальные работы чередовались с чтением «научной» литературы, в те времена ее заменяли алхимические трактаты (9.11).

Временами в лаборатории работала целая артель энтузиастов, которая под руководством «маэстро» проводила дистилляцию, измельчение веществ в ступке, прокаливание, отжимание под прессом и многое другое. На некоторых картинах показана печь алхимика, имеющая высокий свод, что представляло собой, по существу, прообраз вытяжного шкафа, удаляющего из помещения продукты реакции с неприятным запахом (рис. 9.12).

Не остались в стороне яркие и драматические моменты в работе алхимиков – вспышки, взрывы, получение светящегося белого фосфора (рис. 9.13).

Мучительные попытки получить золото часто приводили алхимиков к разочарованию. Обломки битой посуды и обилие бесполезных трактатов дополняют на рисунке 9.14 обстановку безысходности.

Далеко не все живописцы старались точно воспроизвести детали окружающей обстановки. Увлеченные эмоциональной стороной сюжета и желанием создать красочное полотно, они дополняли картину яркими покрывалами, гардинами, мало соответствующими обстановке лаборатории алхимика, жившего чаще всего в бедности.

Некоторые алхимики пользовались финансовой поддержкой состоятельных особ, жаждавших заполучить синтетическое золото; естественно, такие «спонсоры» периодически навещали алхимиков с проверкой (рис. 9.15–9.16).

Упадок алхимии начинается с XVI в., в конце XVII в. она практически исчезла как научное направление, но алхимические сюжеты еще долгое время вдохновляли живописцев.

Заканчивая рассказ об алхимиках, отметим, что синтетическое золото все же получено, но только с помощью не химических, а ядерных реакций. Теоретически эта задача несложная, необходимо взять ядро ртути – ближайшего соседа золота – и понизить его заряд на единицу, т. е. удалить из ядра один протон.

Известны процессы, когда ядро бомбардируют нейтронами, в результате ядро выбрасывает протон и электрон, и заряд ядра понижается на единицу. Тем не менее теоретическая возможность и ее реальное воплощение – не одно и то же, задача оказалась совсем не такой простой, как виделось вначале.

Опыты продемонстрировали, что при облучении ртути быстрыми нейтронами образуются сразу три изотопа золота: ¹⁹⁸Au, ¹⁹⁹Au и ²⁰⁰Au; напомним, что изотопы отличаются содержанием нейтронов в ядре, но по химическим свойствам это тот же самый элемент. Все образующиеся изотопы золота радиоактивны, т. е. неустойчивы, и в течение нескольких часов или дней, испуская бета-лучи, превращаются в устойчивые изотопы ртути. Естественно, такое золото никого, кроме ученых, не интересует. Оказалось, что природное золото содержит всего один изотоп ¹⁹⁷Au, устойчив только он, что и позволило ему сохраниться в земной коре.

Постепенно стало понятно, что получить устойчивое золото ¹⁹⁷Au можно только из изотопа ртути ¹⁹⁷Hg. Природная ртуть содержит семь изотопов, но среди них нет нужного изотопа ¹⁹⁷Hg, поскольку он радиоактивен и неустойчив. Если его не существует в природе, то, следовательно, его необходимо синтезировать, что удалось осуществить американскому физику Артуру Демпстеру с сотрудниками. Они облучали ртуть медленными нейтронами, при этом к намеченной цели вело превращение только одного изотопа – ¹⁹⁶Hg (из семи присутствующих в природной ртути), его содержание всего 0,15 %. При попадании нейтрона в ядро ртути ¹⁹⁶Hg образуется нужный изотоп ¹⁹⁷Hg и вылетает гамма-квант.

Далее этот изотоп самопроизвольно преобразуется в результате перестройки электронов в атоме. Происходит так называемый K-захват: электрон с одной из внутренних орбиталей захватывается протоном ядра с образованием нейтрона, в результате заряд ядра понижается на единицу и образуется другой элемент, т. е. золото (рис. 9.17).

В итоге из 100 мг ртути удалось получить всего 35 мкг (!) чистого золота. Сейчас этот «экспонат» хранится в Чикагском музее науки и промышленности. Цена золота, полученного таким способом, исключительно высока: она во много раз превосходит цену природного золота, добытого из самых бедных золотоносных руд. Пока ни одно государство не планирует пополнение своих золотых запасов за счет синтетического золота, тем не менее мечту древних алхимиков все же удалось осуществить!