Страница 37 из 50
Изучая высокомолекулярные природные соединения, химики рассчитывали не только получить их синтетические аналоги, но и открыть новые типы соединений. Одним из методов синтеза молекул-гигантов является полимеризация мономеров (мономер — вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами других веществ с образованием полимера).
Способ объединения мономеров в гигантскую молекулу можно пояснить хотя бы на примере этилена С2Н4. Напишем структурные формулы двух молекул этилена:
Представим себе, что атом водорода переместился из одной молекулы в другую, в результате в этой молекуле вместо двойной связи появилась свободная одинарная связь. Свободная связь появилась и у первой молекулы, из которой ушел водород. Поэтому эти две молекулы могут соединиться друг с другом.
Такая молекула содержит уже четыре углеродных атома и одну двойную связь, как и молекула исходного этилена. Следовательно, при взаимодействии этой молекулы с еще одной молекулой этилена также может произойти перемещение атома водорода и разрыв двойной связи. Образующаяся в результате молекула будет содержать шесть атомов углерода и одну двойную связь. Таким способом можно получить последовательно молекулу с восемью, десятью и более атомами углерода. Фактически так можно получать молекулы почти любой заданной длины.
Американский химик Лео Хендрик Бакеланд (1863—1944) искал заменитель шеллака — воскоподобного вещества, выделяемого некоторыми видами тропических насекомых. Для этой цели ему необходим был раствор клейкого дегтеобразного вещества. Бакеланд начал с того, что провел полимеризацию фенола и формальдегида и получил полимер, для которого не смог подобрать растворитель. Этот факт привел его к мысли, что такой твердый, практически нерастворимый и, как выяснилось, не проводящий электричество полимер может оказаться ценным материалом. Так, например, из него можно отливать детали, которые легко будет обрабатывать на станках. В 1909 г. Бакеланд сообщил о полученном им материале, который он назвал бакелит. Эта фенолформальдегидная смола была первой синтетической пластмассой [101], которая по ряду свойств осталась непревзойденной.
Нашли применение и синтетические волокна. Это направление возглавил американский химик Уоллес Хьюм Карозерс (1896—1937). Вместе с американским химиком Джулиусом Артуром Ньюлендом (1878—1936) он исследовал родственные каучуку [102]эластомеры. Результатом его работ было получение в 1932 г. неопрена — одного из синтетических каучуков [103].
Продолжая изучение полимеров, Карозерс попытался полимеризовать смесь диаминов и дикарбоновых кислот и получил волокнистый полимер. Длинные молекулы этого полимера содержат комбинации атомов, подобные пептидным связям (см. разд. «Белки») в белке шелка. Вытягивая эти волокна, получают то, что мы сегодня называем найлоном. Карозерс завершил эту работу буквально накануне преждевременной смерти. Разразившаяся вторая мировая война заставила химиков на время забыть об открытии Карозерса. Однако после окончания войны найлон начал вытеснять шелк и вскоре пришел ему на смену (в частности, в производстве чулочного трикотажа).
Первые синтетические полимеры были получены, как правило, случайно, методом проб и ошибок, поскольку и о строении молекул-гигантов, и о механизме полимеризации было в ту пору мало что известно. Первым за изучение строения полимеров взялся немецкий химик Герман Штаудингер (1881—1965) и сделал в этой области немало. Штаудингеру удалось раскрыть общий принцип построения многих высокомолекулярных природных и искусственных веществ и наметить пути их исследования и синтеза. Благодаря работам Штаудингера выяснилось, что присоединение мономеров друг к другу может происходить беспорядочно и приводить к образованию разветвленных цепей, прочность которых значительно ниже.
Начались интенсивные поиски способов получения линейных неразветвленных полимеров. И в 1953 г. немецкий химик Карл Циглер (1898—1973) открыл свой знаменитый титан-алюминиевый катализатор, на котором был получен полиэтилен с регулярной структурой.
Итальянский химик Джулио Натта (1903—1979) модифицировал катализатор Циглера и разработал метод получения нового класса синтетических высокомолекулярных соединений — стерео-регулярных полимеров [104]. Был разработан метод получения полимеров с заданными свойствами.
Одним из главных источников основных органических соединений, необходимых для производства новых синтетических продуктов, является нефть. Эта жидкость известна с античных времен, но чтобы использовать ее в больших количествах, необходимо было открыть способ выкачивания нефти из обширных подземных месторождений. Американский изобретатель Эдвин Лаурентин Дрейк (1819—1880) первым в 1859 г. начал бурить нефтяные скважины. Столетие спустя нефть стала основным источником органических соединений, источником тепла и энергии.
Еще более важным источником органических продуктов является каменный уголь, хотя в век двигателей внутреннего сгорания мы обычно забываем о нем. Русский химик Владимир Николаевич Ипатьев (1867—1952) на рубеже веков начал исследовать сложные углеводороды, содержащиеся в нефти и каменноугольном дегте, и, в частности, изучать их реакции, идущие при высоких температурах. Немецкий химик Фридрих Карл Рудольф Бергиус (1884—1949), используя данные Ипатьева, разработал в 1912 г. практические способы обработки каменного угля и нефти водородом с целью получения бензина.
Однако мировые запасы ископаемого топлива (каменный уголь плюс нефть) ограничены и невосполнимы. Все прогнозы говорят о том, что наступит день, когда запасы ископаемого топлива будут исчерпаны, и что этот день не за горами, особенно если учесть, что численность населения земли быстро увеличивается, а, следовательно, увеличивается и потребность в энергии [105].
Глава 11
Неорганическая химия
Новая металлургия
Хотя читателю может показаться, что XIX в., особенно его вторая половина, был веком органической химии, неорганическая химия в этот период также продолжала развиваться.
Одним из достижений в этой области явилось изобретение фотографии (см. гл. 9). Однако на развитии экономики или благосостоянии общества это изобретение, естественно, практически не сказалось. Еще одним достижением неорганической химии явилось усовершенствование способа зажигания огня. На протяжении тысячелетий человек добывал огонь трением. Со времени появления железа он научился высекать искры, ударяя огнивом (кресалом) о кремень. Оба способа были неудобны и утомительны, и со временем люди начали пытаться использовать для получения огня химические вещества, способные загораться при низких температурах в результате кратковременного трения. В 1827 г. английский изобретатель Джон Уолкер (приблизительно 1781—1859 гг.) предложил первые вполне пригодные для употребления фосфорные спички. За последующие полтора столетия спички значительно усовершенствовались, однако принцип их действия остался тем же.
Фотография и фосфорные спички — только два примера практических успехов неорганической химии. В полных и подробных трудах по истории химической науки эти и подобные им примеры заслуживают более чем простого упоминания, но в нашей краткой работе мы должны сосредоточить свое внимание на открытиях более крупных.
[101] Перед первой мировой войной русский химик Григорий Семенович Петров (1886—1957) разработал метод получения сульфокислот при очистке нефти. Нефтяные сульфокислоты, получившие название «контакт Петрова», использовались в качестве быстродействующего расщепителя жиров при контактном методе переработки последних. В 1910—1914 гг. Г. С. Петров, используя «контакт» для конденсации фенолов с альдегидами, получил первую пластмассу «карболит», не уступавшую бакелиту.
[102] Каучук — природный полимер, получаемый из сока тропических растений (каучуконосов). При нагревании каучук становится мягким и липким, а при охлаждении — твердым и ломким, поэтому применять его непосредственно нельзя. Американский изобретатель Чарльз Гудьир (1800—1860) открыл (отчасти случайно), что нагретый в присутствии серы каучук не размягчается и остается эластичным в широком диапазоне температур. В 1844 г. Гудьир запатентовал полученный им вулканизованный каучук. По-настоящему широко каучук стал применяться лишь в XX в., когда из него начали изготавливать шины.
[103] Основополагающие исследования в области методов синтеза синтетических каучуков выполнили русские ученые С. В. Лебедев, И. Л. Кондаков, А. Е. Фаворский и др. С. В. Лебедев в 1910 г. впервые получил образец синтетического бутадиенового каучука. В 1926—1928 гг. он с группой сотрудников разработал метод получения натрий-бутадиенового каучука. См.: Сергиенко С. Р. Академик Сергей Васильевич Лебедев. Жизнь и научная деятельность.— М.: Изд-во АН СССР, 1959, 127 с. Создание СК было выдающимся достижением и в катализе. В СССР независимо от работ Д. А. Ньюленда был разработан метод получения хлоропрена — синтетического каучука — аналога неопрена.
[104] Создание алюминий-органических катализаторов К. Циглером и смешанных металлорганических катализаторов Д. Натта позволило сначала Циглеру в лабораторных условиях, а затем Натта в промышленных масштабах осуществить процесс стереоспецифической полимеризации. В результате был синтезирован цисполиизопрен, аналогичный по структуре и свойствам натуральному каучуку. В Советском Союзе исследования стереоспецифического катализа и стереорегулярных полимеров вели Б. А. Долгоплоск, В. А. Каргин и др.
[105] По материалам этой главы см.: Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии. Развитие основных направлений современной химии.— М.: Просвещение, 1978, 352 с.