Углерод встречается повсюду — в бумажных страницах книг, синтетических тканях и пластиковых изделиях, в каждом кусочке пищи и глотке спиртного. На основе углеродного скелета построено все живое на Земле, в том числе клетки человеческого тела. История углерода — это в каком-то смысле история всего. В книге «Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Анастасией Науменко, минералог и астробиолог Роберт Хейзен пишет историю углерода от возникновения Вселенной до наших дней, рассказывая о глубинном углеродном цикле, минералогии углерода, вулканических газах, органическом топливе, нанотрубках, климате, ископаемых остатках животных и растений. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным свойствам углеродных соединений, которые делают их важными для повседневной жизни.
Огонь, круто! Огонь — это ключ к переработке угля и нефти, которые сами по себе не более чем богатые остатки погребенной жизни, высушенные и сжатые в сложные смеси бесчисленных тысяч различных молекул. Большинство молекулярных компонентов — невелики по размеру, это знакомые нам горючие углеводороды: метан, этан, пропан , октан. Другие — крупные сложные молекулы, которые могут похвастаться десятками атомов углерода в соединении с кислородом, азотом, серой и другими элементами.
Суть переработки заключается в нагревании этого зловонного черного химического рагу в высоком сегментированном цилиндре, который гораздо горячее снизу, чем сверху. Вы замечаете эти бросающиеся в глаза ректификационные колонны каждый раз, когда проезжаете мимо химических предприятий, ощетинившихся рядами металлических труб, часть которых пылает сверху — это сжигаются небольшие излишки метана, т. е. то количество природного газа, которое инженеры-химики считают слишком скудным для получения прибыли. В каждой из этих башен проходят многочисленные этапы химического процесса сепарации.
Когда смесь ингредиентов в колонне нагревают, каждый молекулярный компонент достигает своей точки кипения на разной высоте. На следующих один за другим уровнях из колонны выступает сложная система труб — каждая труба «извлекает» и собирает свой продукт, таким образом дистиллируя разнородную черную жидкость поэтапно. Меньшие молекулы обычно кипят при более низких температурах, поэтому они собираются в верхней части колонны — пропан и бутан поблизости от наиболее холодной верхней ее оконечности, бензин и керосин — в середине колонны, а плотный тягучий жидкий асфальт и парафины сливают с более горячего ее дна. Нефтеперегонные заводы соединяют ректификационные колонны в тщательно продуманном химическом танце, где каждая колонна выполняет отдельный этап основной задачи отбора и концентрации важных органических химических веществ.
После того как все эти разнообразные углеродсодержащие молекулы проходят перегонку и очистку, к ним применяется множество химических трюков для получения новых соединений: различные химические вещества сливают в большие чаны и реторты, перемешивают, сжимают, добавляют необходимые реактивы, возможно, даже щепотку катализатора, а затем «варят» при нужной температуре. Разные рецепты складываются в целые кулинарные книги, полные предложений полезных синтетических блюд.
Для современной жизни крайне важны из них полимеры — пластики под названиями ПЭТФ и ПВХ, синтетические волокна нейлон и вискоза, краски, клеи, резина и сотни других химических продуктов, которые играют самые разнообразные роли в нашей повседневности.
Все эти материалы содержат бесчисленные небольшие молекулы, связанные друг с другом и формирующие длинные цепи с углеродными «хребтами». Жизнь тоже научилась этим химическим приемам: кожа, волосы, мышцы, сухожилия и связки — все это биополимеры. То же верно для листьев и стеблей, корней и древесины, волокон водорослей и нитей паутины. А ловкие химические манипуляции добавляют в копилку мириады углеродсодержащих соединений, таких как воск и резина, жиры и растительное масло, смазки и клеи, косметика и лекарства.
Взгляните на упаковку ваших любимых снеков. Все, что мы едим, содержит множество углеродсодержащих молекул: среди них аминокислоты — структурные элементы белков; липиды — компоненты жиров и растительных масел; углеводороды, куда входят сахара, крахмал и пищевые волокна. Углерод обеспечивает нам шипение газированной воды и алкогольное опьянение от выпивки.
Давайте исследуем некоторые свойства углеродных соединений, которые делают их такими важными для повседневной жизни.
Химия углерода, которая предлагает нам самое жаркое пламя, также является самым эффективным портативным источником холода. Углекислый газ CO2 сублимируется при –78,5 °C, превращаясь в бесцветное твердое вещество, уже упоминавшийся сухой лед. Этот лед называется сухим из-за своего необычного свойства превращаться из твердого тела сразу в газ. В отличие от воды, у углекислого газа нет жидкой фазы, по крайней мере при атмосферном давлении. Так что вам не удастся перелить холодный углекислый газ из одного контейнера в другой, но вы можете переносить его в виде удобных замороженных кубиков.
Сухой лед достаточно широко применяется, в основном в пищевой промышленности. Холодильник даже не нужен — чтобы замораживать пищу, газировать напитки, делать мороженое и перевозить скоропортящиеся продукты, вы можете использовать CO2. Замороженный углекислый газ находит оригинальное применение и в борьбе с насекомыми, потому что ледяной CO2 привлекает комаров и постельных клопов, они собираются вокруг кусочка сухого льда и замерзают до смерти. Водопроводчики используют переносные упаковки сухого льда, чтобы обкладывать медные трубы, таким образом создавая пробки из замерзшей воды, когда нет запорного клапана. Врачи замораживают и удаляют бородавки, специалисты по охране окружающей среды замораживают и ликвидируют утечки нефти, пожарные используют гранулы сухого льда и огнетушители на углекислом газе, чтобы бороться с пожарами, одновременно охлаждая и подавляя пламя.
Замороженный углекислый газ также играет свою уникальную роль во время сценических шоу, порождая таинственную пелену. Бросьте кусочки сухого льда в воду, и вы создадите плотный, стелящийся по земле туман, идеальный для зловещих ночных эффектов. Чего зрители не видят, так это каким промозглым может быть подобное явление, когда холодный сублимирующийся CO2 понижает значение точки росы и насыщает более плотный холодный воздух водяным паром. Я помню, как однажды играл в небольшом оркестре во время такого шоу, когда слишком сильный эффект сухого льда вызвал обильный туман, который перелился через край сцены и быстро заполнил оркестровую яму. Какое-то время мы играли буквально вслепую. Липкий насыщенный влагой воздух конденсировался на всем, оставляя скользкий мокрый след на полу, стульях, пюпитрах и инструментах.
Свойства материалов зависят от составляющих их атомов и того, как они соединяются друг с другом. Возьмем, например, клей. Признак хорошего клея — прилипание практически ко всему. На уровне атомов — большинство свойств материала берет начало именно здесь — прилипание заключается в сильном притяжении положительных и отрицательных электрических зарядов. Молекулы клея должны иметь необычайно сильные поверхностные заряды, зачастую реализуемые сильным отрицательным электростатическим зарядом гидроксильных групп OH —, которые соединяются с атомами углерода. Когда у углеродсодержащей молекулы много выступающих наружу гидроксильных групп, то они могут вызвать аналогичной силы положительный заряд почти на любой поверхности. Положительное притягивает отрицательное, и — вуаля! — молекулы прилипают.
Природа полна липкости, а липкие вещества неизменно имеют у себя углеродную основу. Гекконы взбираются на стены с помощью лап, покрытых гидроксильной группой. Венерины мухоловки выделяют липкую, покрытую гидроксилом слизь, на которую ловятся насекомые. Мидии и усоногие раки прикрепляются к корпусу кораблей во многом таким же образом, что обходится корабельным компаниям в целое состояние из-за ежегодной чистки, не говоря уже о потерянном времени простаивания в порту дорогостоящих судов. Каждый год для морских судов выпускаются новые краски с противодействующими налипанию молекулярными составами, которые ограничивают, но никогда не могут полностью устранить эти электростатические фокусы.
Клейкость — это большой бизнес. Клеевая промышленность ежегодно подпитывает своей продукцией многомиллиардный рынок, на котором потребителями выступают производители самолетов и автомобилей, строительные компании, розничные торговцы в интернете и медицинские работники. Высокотехнологичные клеи и герметики сейчас заменяют металлическую сварку, таким образом ускоряя строительство и уменьшая вес конструкций и опор. Они удерживают на месте окна небоскребов и лобовое стекло вашей машины. Покупатели полагаются на клейкие вещества в таких продуктах, как одноразовые подгузники, зубные протезы, лейкопластырь Band-Aid, средства защиты органов слуха, почтовые марки, конверты и клеящиеся листочки Post-it, а также в решении десятков повседневных задач — от упаковки подарков ко дню рождения до склеивания сломанной мебели.
Суперклей как нельзя лучше отражает причудливую природу открытий в мире клеящих веществ. Химик-органик Гарри Кувер-мл. и группа исследователей из компании Goodrich наткнулисьна первый из семейства суперклеев — небольшую углеродсодержащую молекулу, которую назвали «цианоакрилат», в 1942 г. в ходе работ для нужд фронта. Они пытались разработать улучшенный прицел из прозрачной пластмассы; цианоакрилат, который прилипал ко всему, чего касался, сразу же отвергли.
Промотаем вперед, до 1951 г. В этом году Кувер перешел в компанию Eastman Kodak и, работая с химиком Фредом Джойнером, осознал, что суперлипкий цианоакрилат может оказаться ценным клеем. Компания Kodak согласилась с ним, и первый суперклей поступил в продажу в 1958 г. под названием Eastman #910. Вскоре появились многочисленные разновидности и конкурирующие бренды; все они, однако, были основаны на свойстве молекул цианоакрилата оставаться в жидкой форме, пока хранятся в запечатанном контейнере, но крепко объединяться при соприкосновении с водой или влагой атмосферы.
Нетоксичные суперклеи, с их способностью прилипать ко многим видам поверхностей и затвердевать в разных средах, нашли десятки новых способов применения помимо всем знакомой починки сломанных предметов или соединения частей. Морские биологи и аквариумисты-любители используют суперклей, чтобы прикреплять фрагменты живых кораллов к скалам. Пары´ суперклея прилипают к жирным пятнам на гладких поверхностях, в результате чего получаются четкие отпечатки пальцев для судебной экспертизы. Также суперклей стал одним из лучших веществ для применения на коже и костях. Его часто используют для обработки и лечения костных мозолей у спортсменов, скалолазов и музыкантов, играющих на струнных инструментах. А врачи и ветеринары используют суперклей для заделывания трещин в костях и закрытия ран, особенно при чрезвычайных ситуациях, когда склеивание быстрее и безопаснее, чем традиционное наложение швов или скоб.
Скользкие молекулы, в противоположность липким, минимизируют свои поверхностные заряды. Без электростатического притяжения молекулы просто плавают друг над другом, как еще не сварившиеся рисинки. Скользкими поверхности становятся из-за воска, жиров и растительных масел, потому что они образованы из молекул углеводорода — атомов углерода, окруженных атомами водорода. Каждый атом в молекуле углеводорода полностью удовлетворен своим магическом числом электронов. Ни один из атомов масла или жира не ищет другие атомы, чтобы с ними соединиться.
У каждого из нас есть свои примеры неудачного скольжения — необратимые мгновения, когда случалось что-то плохое. Я вспоминаю один такой яркий момент из своего музыкального прошлого. Место действия — Театр Сандерса (Кембридж, штат Массачусетс), февраль 1975 г. — третья или четвертая сыгровка нового камерного произведения «А, Джо?» гарвардского профессора композиции Эрла Кима. У этой ужасно сложной пьесы — три части медных духовых и три части струнных (попытайтесь сбалансировать эти инструменты!) плюс голос, который должен был справиться с монотонной декламацией Сэмюэля Беккета. Двенадцать часов репетиций ради 20-минутной пьесы. Мы сидели полукругом: трубач Кен Пуллиг и тромбонист Стэн Шульц слева от меня, невероятно талантливый студент-виолончелист Йо-Йо Ма непосредственно справа от меня, дирижер Ким и солистка-рассказчица Лоис Смит — напротив. Пьеса оказалась сложной, привередливой. Из-за предстоящих выступления и записи репетиции были долгими и напряженными.
Примерно через час репетиции, когда мы проходили все вместе один причудливый пассаж, возможно уже пятый или шестой раз, на сцене раздался оглушительный шум справа от меня. Мы перестали играть. Что произошло?
Затем мы увидели 40-сантиметровый металлический гаечный ключ. Как оказалось, он выскользнул из сальной руки осветителя, который работал высоко над нами на лестнице, прикрепляя прожектор в неудобном положении, — и тут гравитация вкупе с кожным жиром его подвели.
Массивный гаечный ключ приземлился в 15 см правее Йо-Йо. Мы все пребывали в состоянии шока, концентрация была потеряна из-за почти фатального сбоя. Нас в буквальном смысле трясло, и мы не могли продолжать. Репетицию пришлось закончить, поскольку нам напомнили о необратимости случайного очень плохого момента — неизбежности и непредсказуемости смерти. Мы покинули сцену, отголоски пессимистической пьесы Беккета звучали у нас в головах.
Йо-Йо Ма был заметно ошарашен. Дрожащим голосом студент тихо сказал: «Он чуть не задел мою виолончель!»
Подробнее читайте:
Хейзен, Р. Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего / Роберт
Хейзен ; Пер. с англ. [Анастасии Науменко] — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 402 с. + 8 с. вкл.