Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

В 1894 г. английские химики Д. Рэлей и У. Рамзай сообщили об открытии ими нового химического элемента – инертного газа аргон с молекулярной массой 40. Методы, с помощью которых аргон был выделен из воздуха, надежно подтверждали его высокую химическую инертность. Инертные газы до этого момента не были известны, и потому периодическая система еще не содержала соответствующую им нулевую группу (позже ее объединили с VIII группой). Для аргона не оказалось места в таблице, и Д.И. Менделеев предположил, что открыта новая устойчивая форма азота в виде трехатомной молекулы N 3, масса которой близка к 40. Не подтвердил открытие и известный французский химик Бертло, которому Рамзай послал для проверки образцы полученного аргона. Трудно поверить, что химик столь высокого класса мог допустить такую ошибку и не понять, что держит в руках новый элемент. Скептицизм Менделеева и Бертло вполне понятен, скорее всего, они находились в плену убеждения, что невозможно выделить новый химический элемент из воздуха, который к тому времени, как казалось, был хорошо изучен. В конечном итоге открытие инертных газов было отмечено в 1904 г. Нобелевской премией.

В 1900 г. американский химик-органик М. Гомберг впервые сумел выделить свободный радикал (С 6Н 5) 3С•. Основной признак свободного радикала – наличие неспаренного электрона у атома углерода (в современных химических формулах это обозначают точкой, расположенной у соответствующего углеродного атома). Сообщение Гомберга было воспринято с единодушным недоверием, поскольку попытки выделить свободные метильный Н 3С• и этильный Н 3С-Н 2С 2• радикалы (опыты английского химика Э. Франкланда 1849 г.) были безуспешны. Все дело в том, что, в отличие от метильного и этильного радикалов, полученный Гомбергом трифенилметильный радикал из-за особенностей строения оказался стабильным. Различные независимые проверки показали, что Гомберг прав и позже даже был признан «отцом химии свободных радикалов».

Наука живет и развивается по своим этическим нормам. Каждый новый обнаруженный эффект и каждое открытие должны найти признание в первую очередь в научном сообществе. Поэтому авторы любого значимого результата стремятся опубликовать его в наиболее престижных научных журналах, где каждая статья подвергается жесткой рецензии. Дурным тоном считается обнародовать первые результаты в газетах или популярных журналах. Тем более неприемлемо взывать о поддержке к широкой публике, которая в этих вопросах не разбирается, или обращаться в правительственные органы с требованием немедленно поддержать гениальное открытие, о котором научное сообщество даже не подозревает. Настоящие ученые не уходят «от честной борьбы» и прикладывают все силы для того, чтобы их коллеги могли проверить и воспроизвести полученные результаты.

Ситуация, подобная тем, о которых было рассказано, повторилась и в наши дни.

Прежде чем мы начнем знакомиться с самой работой, поговорим об одном широко распространенном виде изобразительного искусства. Что такое мозаика, вероятно, знает каждый. Это орнамент или картина, собранная из кусочков какого-либо материала, имеющих всевозможную форму и окраску. Материал кусочков может быть разнообразным: картон (например, пазлы), дерево, керамика, цветное стекло и др. Широко известна мозаика, созданная М.В. Ломоносовым из кусочков смальты (цветное стекло), представляющая собой картину размером 4,2 × 2,7 м, изображающую Петра Первого во время Полтавской битвы (рис. 5.54).

Мозаики имеют большое значение и при решении различных научных вопросов. Вначале ими интересовались лишь математики. Они изучали мозаики, которые составлены из фигур одной формы, причем только таких, которые могут заполнить неограниченную плоскость без зазоров и перекрываний. Таких фигур оказалось немного: правильные треугольники, квадраты, прямоугольники, ромбы (по существу, это сдвоенные треугольники) и правильные шестиугольники. Мозаики такого типа часто встречаются в повседневной жизни (рис. 5.55).

В отличие от перечисленных выше фигур, плотно замостить плоскость (например, тротуар) пяти-, семи- или десятиугольниками невозможно: они будут либо налезать друг на друга, либо между ними останутся зазоры (рис. 5.56).

У читателя, возможно, возникнет возражение: плоскость можно замостить не только перечисленными выше фигурами (треугольниками, ромбами, квадратами, прямоугольниками и шестиугольниками), но и другими одинаковыми фигурами. Например, можно собрать паркет из пластин с вырезами и выступами, такая конструкция хороша тем, что соединяет паркетины в замок типа «ласточкин хвост» и не позволяет им расползаться (рис. 5.57). Приблизительно так же устроены пазлы, только там отдельные элементы неодинаковы, мы же рассматриваем мозаики, собранные из одинаковых элементов. Существуют и более затейливые мозаики: например, работы широко известного голландского графика Мориса Эшера (рис. 5.58). Как видите, рисунок 5.58 заполнен изображением одной ящерицы.

Какие есть общие признаки во всех мозаиках? Прежде всего, в них соблюдается строгий порядок: отдельные элементы узора (точки на паркете или глаза ящериц) располагаются (в выбранном направлении) на одинаковом расстоянии друг от друга.

Второе важное свойство – каждая мозаика может расширяться во все стороны путем прикладывания одинаковых фрагментов (назовем их условно кафельными плитками) к уже имеющемуся участку мозаики. Такое свойство называют периодичностью, каждая «кафельная плитка» составляет такой период. Итак, это упорядоченные периодическиемозаики.

Для того чтобы воспроизвести показанные выше сложные узоры, совсем необязательно изготавливать такие причудливые плитки. На паркете показан прямоугольник, а на мозаике из ящериц – ромб, которые расположены так, что их вершины попадают на одинаковые элементы узора (точки на паркете или правые глаза у ящериц). Если воспроизвести на прямоугольнике или ромбе тот узор, который они охватывают, то получим «кафельные плитки», представляющие собой период, о котором сказано выше. Из таких плиток можно собрать мозаику, точно повторяющую исходный узор. С точки зрения математики такие мозаики весьма просты, у них периоды – прямоугольник или ромб. Итак, нам не удалось получить периодическую мозаику, построенную из каких-то новых фигур, отличающихся от тех, что были упомянуты ранее: треугольники, квадраты, прямоугольники, ромбы и шестиугольники.