Здесь слишком много неизвестного — и еще больше может быть неожиданного.
Потомки двух химий
В Москве на Ленинском проспекте расположено скромное здание Института элементоорганических соединений. Это одна из крепостей, на которые опирается у нас в стране химическая наука, причисленная в наше время к ведущим отраслям естествознания.
Мы сидим в просторном кабинете заместителя директора института члена-корреспондента Академии наук СССР Василия Владимировича Коршака. Он рассказывает нам о том, как органическая химия создает новые материалы.
— Природа — очень экономный строитель, — говорит Василий Владимирович. — Все бесконечное разнообразие окружающего нас мира: царство минералов, растения, космические странники — метеориты, мы сами — все изумительное здание природы построено немногим более чем из сотни кирпичиков — химических элементов. Но не все они используются в равной степени. Некоторые из них и существуют-то лишь доли секунды в современных лабораторных установках, к помощи других природа прибегает гораздо чаще. И среди них самый интересный — углерод.
Поразительным качеством углерода является его необычайная «плодовитость». Изучением соединений углерода с другими элементами занимается специальная наука — органическая химия. Если число всех известных в настоящее время неорганических веществ составляет около 50 тысяч, то каждый месяц в химических лабораториях мира рождается несколько тысяч потомков углерода — органических веществ. И в настоящее время их известно несколько миллионов.
Чем же объясняется способность углерода давать такое большое количество соединений?
В первую очередь способностью атомов углерода соединяться друг с другом, образуя длинные прямые или разветвленные цепи или кольца различного размера. В состав этих цепей или колец могут входить также и атомы других элементов, поэтому многообразие органических соединений неисчерпаемо.
Особенно интересной группой органических соединений являются вещества, имеющие молекулы большого размера. Их молекулярный вес исчисляется тысячами и миллионами. Такие вещества называются высокомолекулярными соединениями или попросту полимерами.
Полимеры обладают различными свойствами. Одни тверды, но хрупки. Другие не боятся ударов, но мягки. Третьим не страшен огонь, но они очень непрочны. Ну, а если нужно получить вещество одновременно прочное, нехрупкое и негорючее? Искать новый полимер? Оказывается, необязательно. Учеными был разработан способ «прививки» одного полимера к другому. Иногда для этого полимеризуют вещество в присутствии другого полимера, а иногда используют рентгеновские лучи или поток радиоактивного излучения. Под действием излучения связи между атомами углерода расшатываются, нарушаются, и «вакантные места» занимает длинная цепочка молекул другого полимера. Так рождается новое вещество, обладающее заранее намеченными свойствами. Например, кремний-органический каучук очень боится бензина и масла. Под воздействием гамма-лучей к нему «прививают» маслостойкий акрилонитрил. После этого ему уже не страшны ни бензин, ни масло. Так химики «конструируют» материалы.
Метод прививок широко используется для получения устойчивых пленок, защищающих металл от ржавления, для изготовления различных видов клея, прочно соединяющего металлические детали, для выделки непромокаемых тканей и во многих других случаях.
Как вы думаете, можно ли растереть молекулу в ступе? На первый взгляд кажется, что нет. Коротенькую молекулу неорганических веществ в ступе действительно не растереть. Но если это гигантская молекула полимера, то картина резко меняется.
Не так давно химики обнаружили, что при интенсивном дроблении полимера цепочка молекул разрывается и образуются очень активные обломки — радикалы.
Если дробить смесь нескольких полимеров, то радикалы могут связываться между собой и образовывать новый сополимер привитой или блочной структуры.
Исследованиями химических процессов, происходящих в полимерных веществах при их механической обработке, занимается юная наука — механохимия, наука, которой жить в XXI веке.
Она делает первые шаги, но исследователи уже добились успехов. Так, например, советскими химиками было доказано, что образование активных радикалов может происходить при замораживании полимеров в воде или других средах. При замерзании возникают большие внутренние давления, разрывающие молекулярную цепочку.
Каждое имеющееся в природе вещество химики относят или к органическим или к неорганическим. Но четкой границы между ними не существует. Есть вещества, лежащие на стыке двух химий.
Ближайшим родственником углерода является кремний. Это очень распространенный элемент. Если его «родной брат» углерод образует основу мира животных и растений, то кремний возглавляет царство минералов и горных пород.
Почти на четверть земная кора состоит из кремния. В чистом виде он никогда не встречается, а только в соединениях с другими элементами. Самым распространенным его соединением является кремнезем. Кристаллический кремнезем — это кварц, горный хрусталь, аметист, топаз и обыкновенный песок. Все эти соединения кремния необычайно термостойки. Например, кварц выдерживает нагрев до 1500°. Поэтому из него делают лабораторную посуду, стекло для ламп ультрафиолетового облучения и другие жаростойкие изделия.
Почти все органические полимеры очень боятся высоких температур. Если им приходится работать при повышенных температурах, они быстро стареют и разрушаются. При действии высоких температур высокомолекулярное вещество начинает медленно окисляться, при этом образуются летучие вещества, материал теряет в весе и становится хрупким. Нельзя ли устранить этот недостаток органических веществ и прибавить им теплостойкости, которой так щедро наделены неорганические вещества? Оказывается, можно, вводя в органические соединения такие типичные для неорганической природы элементы, как кремний, фтор, фосфор, бор, титан, медь и другие металлы. В результате этого получаются элементоорганические соединения, сочетающие в себе положительные свойства обоих компонентов. Остановимся на веществах, содержащих кремний.
Первые кремний-органические соединения были синтезированы более 100 лет тому назад. Но только в последние 20 лет благодаря работам советского химика члена-корреспондента Академии наук СССР К. А. Андрианова и его школы кремний-органические соединения получили промышленное применение. В настоящее время их насчитывается более 5 тысяч. На заводах химической промышленности нашей страны вырабатывается около 40 наименований различных кремний-органических соединений.
Кремний-органические масла в отличие от минеральных не разжижаются при высоких температурах и не замерзают при низких. Отдельные виды масел сохраняют все свои важные для техники свойства в интервале температур от -60 до +200°. Смотрите, сколько веществ создали химики, чтобы человек мог использовать технику всюду — и на земле, и при полетах на ракетах, и, может быть, даже при высадке на астероиды…
Для некоторых химических процессов необходимы жидкости, способные длительно работать при плюс 300–400°. Органические соединения не в состоянии вынести такую температуру, а жидкие полимерные органосилоксаны служат надежно. Достоинством этих жидкостей является химическая инертность; они не действуют на металлы, не растворяют пластмассы и резину.
Есть у них и еще одно замечательное свойство: некоторые из них прекрасно гасят пену. Добавка тысячных долей кремний-органической жидкости в масло позволяет ему надежно смазывать механизмы при высокой температуре. Это особенно важно для тех механизмов, где сочетаются высокий нагрев и малая величина атмосферного давления. Масло без добавки антипенных веществ нагревается, вскипает, и густая пена препятствует проникновению смазки в сочленения, подшипники и другие трущиеся детали.
Антипенные присадки применяются и при синтезе искусственного каучука, в винном деле, в производстве сахара.