Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

У людей никогда не было недостатка в чернилах, традиционно состоящих из смеси солей железа, воды и танинов – горьких на вкус компонентов чая [112] Чтобы это продемонстрировать, сначала заварите крепкий чай, а затем как можно тщательнее растворите в воде или уксусе кусочек железосодержащей пищевой добавки в форме таблетки. Добавьте раствор железа в чай и понаблюдайте, что получится. Для промышленного производства чернил использовались галлы – чернильные орешки (наросты на листьях дуба и других растений, образовавшиеся в результате жизнедеятельности насекомых). и красного вина. Этой черной жижи всегда было достаточно, чтобы писать стихи и подписывать смертные приговоры. Но карандаш – совсем другое дело. Он предназначен отнюдь не только для детей – он был и остается незаменимым инструментом для художников, инженеров, плотников и архитекторов [113] Petroski H. The Pencil: A History of Design and Circumstance. Knopf, 2006. . В инженерном училище в конце 80-х мы (по крайней мере, некоторые из нас) все еще вручную чертили карандашом прекрасные чертежи реакторов с двойной облицовкой из нержавеющей стали. А за четыре года до того, в армии, недалеко от полярного круга, разве мы выписывали приказы и расшифровывали радиосообщения шариковой ручкой? Разумеется, нет; строго говоря, это было запрещено, потому что чернила в ручке быстро замерзают.

«Свинцовый карандаш» (конечно же, грифель карандаша состоит не из свинца – элемента за номером 82, а из кое-чего другого) переносит нас в зеленые долины английского Озерного края и Камбрии – в место, где так же неожиданно обнаружить центр информационных технологий, как и в апельсиновых рощах вокруг Пало-Альто. Разница в том, что в Калифорнии 70-х годов важны были преданные делу люди, а не местные кремниевые шахты. В долине Борроудейл в конце XVI века значение имело содержимое горы, потому что именно там можно найти то, из чего делается карандашный грифель.

Не то чтобы люди совсем не были важны: здесь процветали различные формы предпринимательства. Говорят, например, что Черный Сэл, трудившийся в начале XVIII века в маленьком городке Кесвике недалеко от Борроудейла, руководил сетью контрабандных поставок карандашного графита. Этот ценный груз – плюмбаго – перевозили по труднопроходимой холмистой местности до Ирландского моря, откуда на ожидавших там лодках отправляли на континент. Незаконная разработка месторождения, питавшая этот контрабандный бизнес, была в то время обычным делом, и существуют также письменные свидетельства о парочке вооруженных ограблений на рудниках. В целом это очень похоже на Дикий Запад, только вместо американских кавалеристов в синей форме действовали «красные мундиры» [114] Британская пехота. , а местные пытались удержать в своих руках то, что считали своей собственностью, и не отдать ее «иностранным» владельцам и инвесторам [115] Tyler I. Seathwaite Wad, and the Mines of the Borrowdale Valley. Blue Rock Publications, 1995. .

В те дни в Камбрии [116] Или, вернее, в Камберленде – небольшом историческом графстве, которое является частью церемониального графства Камбрия с 1974 г. важную роль играли многие виды горных работ, но самым ценным минералом, когда-либо добытым из местной земли, считался черный камень, который называли вад или плюмбаго. Предполагают, что впервые его начали использовать в позднем Средневековье для того, чтобы отслеживать, кому какие овцы принадлежат, – тогда, как и сейчас, отчетность о материальной собственности была важной частью информационных технологий [117] Collingwood W.G. Lake District History. Titus Wilson & Son, 1925. .

Так что же такое это серое вещество, если не свинец? Это кристаллическая форма углерода под названием графит (см. рисунок 20), которая сильно отличается от другой формы кристаллического углерода – алмаза. Но точно так же, как это делается на алмазных рудниках, работников в Борроудейле при выходе из шахты обыскивали, чтобы найти припрятанные камни, а транспорт с графитом до конечного пункта назначения провожали вооруженные охранники.

Все эти разные формы углерода немного сбивают с толку. Углерод добывают также и в угольной шахте, так что в шведском языке все еще более запутано, потому что слова «углерод» и «уголь» обозначаются одним словом kol [118] А чтобы нам было еще сложнее, kol является также омонимом слова kål – «капуста». . А ведь существуют еще угольные печи, в которых уголь предполагается получать из дров. Но никакой путаницы здесь нет – мы говорим об одном и том же элементе, а не об ошибке определения, когда один элемент принимают за другой, как в случае со «свинцом» в карандашах.

Рисунок 20.Кусок графита из Борроудейла, купленный совершенно легально в Кесвике (Камбрия, Великобритания) в 2012 году. Фото сделано автором.

Итак, давайте начнем с самого драгоценного члена этой семьи – алмаза. В этом веществе каждый атом углерода соединен прочными связями с четырьмя другими атомами. Образуется (если бы мы могли это увидеть) нечто похожее на миниатюрные строительные леса, только перекладины в них соединяются не под прямым углом, а под углом 109,5°, что позволяет этой конструкции бесконечно повторяться во всех направлениях. Поскольку перекладины состоят из прочных одинарных углерод-углеродных связей, структура получается очень крепкой. Кроме того, эти атомы углерода абсолютно лишены воображения: они располагаются совершенно одинаковым образом в пределах всего алмазного кристалла, и именно по этой причине алмаз – это прежде всего кристалл; нам требуется знать лишь положение одного-единственного атома углерода, и тогда мы сможем сказать, где расположены все остальные атомы этого кристалла.

Рисунок 21. Слева : атом углерода, соединенный с четырьмя другими атомами и образующий то, что мы называем тетраэдром. Справа : множество углеродных тетраэдров, соединяющихся друг с другом и образующих алмазную структуру. Алмаз – это бесконечная решетка из атомов углерода, очень похожая на одну большую молекулу; структура воспроизводится и вдоль пунктирных линий.

К тому же жесткой дисциплине подчинены и электроны: на каждую углерод-углеродную связь полагается по паре электронов, а сбежать им не дает заклятие притяжения, наложенное на них положительно заряженными ядрами углерода. Это означает, что алмаз не должен проводить электрический ток; он действительно проявляет свойства электроизоляционного материала, и притом весьма хорошего. (Как ни удивительно, при этом он отлично проводит тепло, как мы убедились в главе 8.) Электроны держатся так крепко, что их нельзя сдвинуть и при помощи видимого света – то есть тем способом, при помощи которого вещества обычно приобретают цвет (поэтому идеальный алмаз совершенно прозрачен).