Если бы храбрый Ийона Тихий во время своего путешествия на планету Огненную догадался захватить в обратную дорогу огненский учебник химии, то, перелистывая его во время длительного возвращения на Землю, капитан с удивлением обнаружил бы, что в учебнике начисто отсутствует раздел, посвященный основаниям, но зато глава, описывающая кислоты, занимает большую часть учебника.
Герои одного из рассказов И. Ефремова встречаются с разумными существами, постоянная обитель которых — фторидная планета. На этой планете жизнь основана на растворах не в воде, а в жидком фтористом водороде. Так вот, если бы земляне вздумали втолковать фторидцам, что такое кислота, то они встретились бы с полным непониманием. Фторидцы хорошо знакомы с основаниями, но кислоты для них — экзотика, о которой не упоминают и самые подробные энциклопедии фторидной планеты.
Не надо торопиться бросать упрек огнянам в невнимании к одному из важнейших классов соединений — к основаниям. Точно так же нельзя заподозрить фторидцев в пренебрежении к кислотам. Известно, что молекула аммиака жадно притягивает к себе протон — куда энергичнее, чем вода. Поэтому соединения, которые в воде даже и не помышляют быть кислотами, в жидком аммиаке становятся ими. Фтористый водород, напротив, так и стремится навязать кому-либо свой протон, то есть заставляет растворенное вещество выступить в роли основания.
Быть основанием в аммиаке может лишь такое соединение, которое тянет к себе протон более энергично, чем аммиак. А таких соединений известно химикам очень немного, меньше, чем хороших теноров в Большом театре. Поэтому число кислот в жидком аммиаке намного больше числа кислот в воде, зато оснований в нем практически не существует.
Точно так же в жидком фтористом водороде в избытке будут присутствовать основания, но кислот там, можно сказать, не будет вовсе.
Теперь читатель ничуть не удивится, узнав, что в огненском учебнике химии начисто отсутствует и понятие «кислотно-основное взаимодействие». Да, осуществить кислотно-основное взаимодействие в растворителе, в котором все растворенные соединения — кислоты, невозможно.
Автор может добавить, что попытка провести кислотно-основную реакцию в жидком фтористом водороде, где имеются только основания, но почти нет кислот, так же имела бы мало шансов на успех.
Спрашивается: возможны ли разнообразные реакции в сильноосновном либо сильнокислом растворителях? Вопрос не из тех, на которые следует давать ответ. Итак, сформулировано очередное условие, предъявляемое к среде, в которой возможно образование живого вещества.
Оказывается, такой растворитель не должен быть очень кислым или очень основным. Но, с другой стороны, растворитель должен обладать достаточной химической активностью, ибо, как мы видели, коль скоро нет взаимодействия растворенного вещества с растворителем — нет кислот и оснований. Соединения, которые одинаково охотно взаимодействуют и с кислотами и с основаниями, называются амфотерными. Вот и найдено достаточно точное определение того свойства, которым должен обладать «жизненный растворитель»: амфотерность.
Это требование резко сужает круг возможных «жизненных растворителей». Настолько резко, что мажорное определение «множество», которым мы хвалились выше, отмечая количество всевозможных жидкостей, сводится к минорному «небольшое число».
Ушат воды
Теперь можно перейти ко второму из тех основных условий, которым должен удовлетворять «жизненный растворитель». Условие это на первый взгляд (ох, уж эти первые взгляды!) несложно: растворитель должен растворять. Подозрительно смахивает на каламбур. Но тем не менее утверждение серьезно — серьезнее некуда.
Растворимость… Не любят химики эту проблему. Да и как любить, когда ни с какой стороны к ней не подступиться. Ведь, говоря честно, химики и сегодня точно не знают, почему, например, сернокислый магний превосходно растворяется в воде, а сернокислый барий, который по многим химическим свойствам походит на сернокислый магний, можно сказать, не растворяется вовсе.
Что ни говорите, а обидно. Обидно, потому что химия объясняет нынче проблемы, казалось бы, куда более сложные.
Вряд ли стоит пересказывать во всех перипетиях историю сражения химии с проблемой растворимости — и потому, что это пусть и интересная, но для предмета этой книги побочная тема, и потому, что химики такие же люди, как все, и, следовательно, не очень любят распространяться о своих неудачах.
Впрочем, не стоит считать, что дело здесь обстоит совсем безнадежно. Сегодня химик может с большой определенностью, не заглядывая в таблицы растворимости, предсказать, что, например, углеводород гексан будет отлично растворяться в углеводороде бензоле, а хлористое серебро — в расплавленном хлористом калии (знакомый уже нам растворитель!).
Химик понимает, почему уксусная кислота СН3СООН хорошо растворяется и в углеводородах и в воде. Молекула этого соединения состоит как бы из двух частей: «углеводородной» — CH, и «водоподобной» — ОН (молекула воды также содержит группу ОН, называемую гидроксильной).
«Постойте! — скажет читатель. — Ведь это «подобное растворяется в подобном» — старое правило алхимиков. «Simila similibus solventur».
«Да, старое и, добавлю, отличное правило алхимиков, — отвечу я. — И современная химия в этой проблеме, увы, не так далеко оторвалась от своей предшественницы алхимии».
Коль скоро речь зашла об алхимии, то здесь нелишне будет вспомнить, что алхимики с рвением, не меньшим, чем в случае с «философским камнем», искали и универсальный растворитель, который мог бы растворять все, абсолютно все вещества. Небезынтересно и то, что поиски этого растворителя продолжались и тогда, когда проблема «философского камня» занимала разве что свихнувшихся искателей легкой наживы или совсем уж продувных мошенников.
Какие только комбинации не пускались в ход! Тут и смесь всех жидкостей, какие могут быть извлечены из человеческого организма, и, как мы сказали бы сейчас, коктейли из вин самых разнообразных сортов и возрастов, и смесь редких и, конечно, очень дорогих благовоний. К слову сказать, знаменитая «царская водка» — смесь азотной и соляной кислот — была найдена в результате именно этих «исследований».
И никто не догадался, что наилучший растворитель из всех, какие только могут существовать, вот тут, рядом, всюду…
Было бы неверным сказать, что химики сейчас не предпринимают попыток взять крепость проблемы растворимости. Сопоставляя данные по растворимости одних и тех же веществ в различных растворителях, ученые обратили внимание на четко просматривающуюся роль диэлектрической проницаемости растворителя. Чем больше значение диэлектрической проницаемости жидкости, тем лучший она растворитель. Отмеченное правило, впрочем, никак не может быть возведено в ранг закона. В лучшем случае оно может претендовать на звание закономерности. Но тем не менее можно достаточно категорически утверждать: для того чтобы хорошо растворять, жидкость должна обладать высокой диэлектрической проницаемостью.
Надобно еще поговорить о способности растворителя взаимодействовать с растворенным веществом. Было уже сказано, что это взаимодействие необходимо, чтобы растворенные вещества могли стать кислотами или основаниями. Но ведь это далеко не исчерпывает всего круга проблем, вращающихся вокруг слова «взаимодействие».
Начать с того, что само понятие «взаимодействие» не очень определенно. Мы растворяем в воде, скажем, кристаллы едкого натра. В том, что щелочь и вода взаимодействуют, сомневаться не приходится: образование раствора сопровождается настолько сильным разогреванием, что колбу трудно удержать в руках. Если удалить из раствора воду, например, с помощью упаривания, то образующийся сухой остаток будет все тем же едким натром, из которого и приготовлялся раствор.
Смешивание цинковых опилок с серной кислотой также сопровождается сильным разогреванием. Это обстоятельство, а также бурное газовыделение не оставляют сомнений в том, что цинк взаимодействует с серной кислотой. Однако, отогнав из раствора воду, вы не увидите на дне колбы цинка.
Вместо него выпадут кристаллы сернокислого цинка — вещества, ничем не напоминающего исходный металл.
Да, разное оно бывает, взаимодействие. И не приходится сомневаться, что растворитель, претендующий на звание «жизненного», должен относиться к растворителям первого типа — таким, которые не изменяют природу растворенного вещества, хотя и взаимодействуют с ним.
Как видим, перечень требований к «жизненному» растворителю столь обширен, что и не сразу сообразишь, какая же жидкость может этому перечню соответствовать. Ведь здесь требуется и амфотерность, и способность к взаимодействию (но к такому, чтобы не очень…), и хорошая растворяющая способность, и… Словом, много чего требуется.
