Периодическая система элементов Менделеева - Углерод

Возникновение и развитие жизни на любой планете обусловлено круговоротом веществ под действием лучистой энергии светила. Борьба между накоплением энергии и ее рассеиванием в пространстве является главной во всей цепи сложнейших преобразований. Какой-нибудь активный газ (кислород, фтор или хлор) может накапливаться в атмосфере лишь в результате жизнедеятельности растений. Его расходуют животные и человек, в том числе связывая с основным элементом, который является материальной основой жизни. Писатели-фантасты нередко населяют воображаемые планеты людьми, которые дышат фтором или сернистым газом и купаются в морях плавиковой кислоты или расплавленной серы. С энергетической точки зрения здесь все обстоит благополучно. Например, обмен веществ на фторной планете протекал бы в полтора раза интенсивнее, чем на кислородной. Следовательно, предпосылки для развития мыслящей жизни налицо. Однако логический подход к таким вопросам не всегда оказывается правильным. Кремний — близлежащий аналог углерода, к тому же на Земле его гораздо больше. Но жизнь возникла почему-то на углеродной основе. Кремний же, по сути дела, исчерпал себя, создав лишь неорганический мир. В земной тверди и в атмосфере углерода сравнительно немного — около 0,14 процента по весу. Тем не менее в сочетании с водородом, кислородом, азотом, серой и фосфором он образовал почти три миллиона соединений! По выражению академика А. Н. Несмеянова, язык органической химии состоит всего из шести букв, а словарный запас непрерывно растет и уже сейчас с трудом вмещается в сотне объемистых томов.

И чтобы рассказ об элементе № 6 выглядел более компактным и стройным, видимо, следует представить углерод не во всей его многолнкости, а изложив лишь самое существенное и важное.

Вплоть до первой четверти XIX века все вещества делили на неорганические и органические, судя по их происхождению. Считалось, что органические соединения могут образовываться лишь в живых организмах при активном участии некой жизненной силы. Что это такое, толком никто не знал. Одни называли ее «рукой бога на земле», другие — первоосновой жизни, третьи — началом всех начал. Но все сходились в одном: физическая природа жизненной силы непознаваема. В 1828 году немецкий врач, но не новичок в химии, Фридрих Вёлер (одно время он работал в лаборатории Я. Берцелиуса), упаривая растворы цианата серебра и нашатыря, получил мочевину — известное еще с 1773 года органическое соединение. Это открытие настолько ошеломило ученого, что вначале он и сам с недоверием отнесся к нему. В течение четырех лет Ф. Вёлер (в ту пору он уже работал в Германии) проводил контрольные опыты и лишь после этого решился сообщить о них своему учителю Якобу Берцелиусу. «Должен Вам сказать, — писал немецкий химик, — что я могу делать мочевину, не нуждаясь при этом в почках и вообще в животном, будь то человек или собака...» Знаменитый ученый посчитал сообщение Вёлера неприкрытой дерзостью и даже не удостоил его ответом.

Как бы там ни было, виталисты (последователи теории «жизненной силы»), выражаясь языком боксеров, пропустили чувствительный удар, от которого они так и не смогли оправиться. Правда, Якоб Берцелиус пытался было заступиться за своих единомышленников: дескать, мочевина есть отброс организма, а вот действительно жизненно важные соединения в лаборатории никогда не получить. Но очень скоро стало ясно: предсказание знаменитого шведского ученого ошибочно. Химики синтезировали уксусную кислоту, жиры, сахаристые вещества. Теорию «жизненной силы» совершенно справедливо отправили на свалку истории, туда, где несколькими десятилетиями раньше обосновалась теория флогистона... По словам Ф. Вёлера, органические соединения — это химия углерода- К. Шорлеммер высказался по этому поводу еще определеннее: «Органическая химия есть химия углеводородов и их производных».

Иными словами, своим многообразием растительный и животный мир нашей планеты обязан лишь одному классу соединений углерода. На его основе строится жизны Но почему же все-таки углерод стал «началом всех начал»? На этот вопрос сразу и не ответишь. В «Основах химии» Д. И. Мен-

120

делеев писал, что «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде».! Ему нет равных в уникальном свойстве образовывать длинные цепи. Кроме того, с большинством элементов он соединяется в самых различных вариантах, рождая бесчислен-⁾/ ное множество веществ со специфическими свойствами. При-чем атомы элемента № 6, связанные между собой, а также с водородом, азотом, фосфором, галогенами, кислородом, серой, довольно легко разлучаются друг с другом под действием окружающей среды, образуя более простые соединения. Видимо, лишь благодаря этому возможен непрерывный кругооборот углерода в природе. Растения развиваются, образуя сложные органические соединения из атмосферного углекислого газа (!) и воды при непосредственном участии хлорофилла и солнечных лучей. Животные поедают растения и своих собратьев, чтобы в свою очередь синтезировать нужные организму жиры, белки и углеводы.. Однако все мы в этом мире тленны. Не случайно еще в древности говорили:

«Из праха восстал, в прах обратился...» В этих словах кроется глубокий смысл. Непрерывному обращению живого в мертвое и мертвого в живое мы обязаны всем, что имеем.

На внешней оболочке элемента № 6 имеются четыре электрона. В принципе углероду безразлично, возьмет ли он под свое покровительство еще четыре электрона от других атомов или отдаст их более агрессивным партнерам. Если соединяются два углеродных атома, то по одному электрону затрачивается на связь между ними, а по три с обеих сторон остаются вакантными. В таком состоянии сцепленные атомы бывают недолго. Они находят в окружающей среде другие атомы и соединяются с ними. В том случае, когда выбирать не из чего, возбужденные углеродные атомы складывают еще по одному электрону и образуют новую связь между собой. Правда, она не такая прочная, потому что более выгодное в энергетическом отношении место уже занято ранее образованной парой. Но бывает и так, что возникает тройная связь. Атомы элемента № 6 выделяют для этого по три электрона и лишь по одному оставляют для вероятных партнеров. Кратные связи (двойные и тройные) весьма нестабильны и при первом удобном случае разрушаются, а освободившиеся электроны вместе с подвернувшимися собратьями, принадлежащими другим атомам, образуют энергетически более выгодные комбинации, точнее — простые связи.

121

Ученые не преувеличивают, когда говорят, что соединения углерода сложны и многообразны. Казалось бы, совсем не трудно предсказать свойства химического вещества, если известен состав его молекулы. В самом деле, разве важно, как мы напишем последовательность расположения атомов, к примеру, в серной кислоте? Скажем, так: O₂HSO₂H или иначе: S0₂(OH) ₂. Суть от этого в общем-то не изменится, и подобный трюк может сбить с толку лишь человека несведущего. Просто мы привыкли к несколько иной форме записи. А вот для предсказания свойств органических веществ мало знать, какие атомы и в каком количестве участвовали в строительстве молерулы. Необходимо определить и их взаимное расположение. Классический пример: состав соединения соответствует формуле С₂Н₆О. Это может быть диметило-вый эфир СНз—О—СНз и, в равной мере, этанол СНз—СН₂—ОН. Вещества знакомые и не нуждающиеся в особых комментариях. Даже школьнику хорошо известно, что применять одно вместо другого можно, пожалуй, лишь в качестве растворителя.

Углероду свойственна незаурядная фантазия при постройке своих молекул. Они бывают очень простые, как цепи гептана и полиэтилена, и разветвленные, как изопентан; Нам известны циклические соединения с углеродным скелетом — такие, как циклогексан и бензол, а также структуры с инородными атомами (диоксан, тиофен, пиридин). Иногда циклические молекулы объединяются, образуя вещества с любопытными свойствами: нафталин, индол (знаменитый краситель синее индиго является его производным), нафтацен (сырье для производства тетрациклина — эффективного жаропонижающего средства). Такие структуры сложными не назовешь, и не по ним в конечном счете мы судим об архитектурных способностях углерода. Более замысловато построены молекулы алкалоидов, физиологически активных веществ, извлекаемых из растений; терпенов, составной части эфирных масел, от которых зависит аромат кофе, лимона или нежной фиалки. Не отличаются простотой и молекулы некоторых полимеров. Они могут состоять из чередующихся алифатических и ароматических звеньев, образовывать сшитые структуры,! Однако вершина творчества углерода — белки и нуклеиновые кислоты Эти соединения до конца не разгаданы и до сих пор. Простые белки (протеины) построены из аминокислот, которых известно не так уж много (около двадцати). Но присоединяются они друг к другу в различном порядке. Этим и объясняется такое многообразие белковых молекул. Растения синтезируют белок из неорганических веществ: аммиака, аммонийных солей, нитратов. Некоторые виды бактерий ухитряются получать его, связывая азот воздуха. А вот животные используют белок, так сказать, бывший в употреблении, т. е. тот, который поступает в организм с пищей. Расщепляя его с помощью воды, кислот, щелочей, ферментов на составляющие аминокислоты, животные этим как бы подготавливают себе строительный материал для синтеза именно того белка, который им нужен. Аминокислоты имеют в своем составе две функциональные, группы: аминную и карбоксильную. С их помощью молекулы соединяются в длинные цепи. Ферменты внимательно следят за тем, чтобы карбоксильная группа одного партнера взаимодействовала с аминной группой другого, не допуская никаких вольностей. Такая связь называется пептидной. И что любопытно: воспроизвести эту реакцию в колбе — задача наитруднейшая. Судите сами: чтобы синтезировать полипептидную цепь хотя бы из сотни аминокислот, нужно провести 100 последовательных реакций. Причем все они должны идти с высоким выходом. Кроме того, нужно заставить реагировать между собой именно карбоксильную группу с аминной и экранировать другие активные центры. И так на каждой стадии. В довершение всего белковую молекулу необходимо определенным образом скрутить в спираль, потому что и это, как ни странно, сказывается на ее свойствах. Нужно ли говорить, что такая работа требует особой тщательности и, согласитесь, времени. В любом же организме, даже простейшем, синтез куда более сложных структур занимает... две-три секунды.

Белковые молекулы построены весьма своеобразно. Они могут быть шарообразными, наподобие плетеного мяча, которым играют в травяной хоккей. Их обычно называют глобулярными. Кроме того, белковые молекулы образуют также фибриллярные структуры — длинные линейные цепи. С помощью рентгеноструктурного анализа удалось установить наиболее выгодную в энергетическом отношении форму существования таких молекул. Они извиваются, как усики хмеля на воображаемом прутке. Биохимики называют подобную структуру альфа-спиралью. На первый взгляд она кажется не очень прочной. На самом же деле ее цементируют водородные связи, которые рождаются при взаимодействии кислородного атома одной пептидной группы с водородным атомом другой. Благодаря этому «молекула-пружина» находится в достаточно устойчивом положении. Ученые ухитрились даже измерить расстояние между двумя витками. Оно равно 5,4 ангстрема.

Химические свойства белков изучены достаточно хорошо. Известно, что эти соединения легко гидролизуются, взаимодействуют с кислотами и основаниями. Очень важно и то, что белки способны образовывать комплексы с другими веществами. Так, с пигментами они дают хромопротеиды (гемоглобин крови — сложный белок, в состав которого входит краситель — трехвалентное железо), а с нуклеиновыми кислотами — нуклепротеиды. За последние годы интерес к таким соединениям особенно возрос. Это объясняется тем, что ученые сумели разгадать одну из самых сокровенных тайн природы: носителя наследственных признаков организма. В 1869 году Фридрих Мишер выделил из ядер лимфоцитов то, что мы называем сейчас ДНК — дезоксирибонук-леиновую кислоту. Это выдающееся открытие намного опередило время. Шутка ли, более 80 лет потребовалось, чтобы определить химический состав этого соединения и его функцию в организме! Молекула ДНК содержит сахарид (дезо-ксирибозу), азотистые основания: гуанин, аденин, цнтозин, тимин и, кроме того, фосфорную кислоту. Каждое азотистое основание соединено с дезоксирибозой. Эта группировка называется нуклеозидом. Она, в свою очередь, связана с остатками фосфорной кислоты и именуется уже нуклеотидом. Полимерная цепь нуклеотидов образует первичную структуру ДНК. Молекулярный вес только одной ее небелковой части достигает четырех миллиардов.

Мы уже упоминали о том, что ДНК — носитель информации в клетке. Это свойство — следствие строго определенного порядка чередования азотистых оснований в молекуле. Но точного расположения их мы пока не знаем. Правда, знаменитый биохимик Эрвин Чаргафф вывел некоторые закономерности. Он заметил, что азотистые основания спарены:

аденин с тимином, а гуанин с цитозином. То есть по содержанию, к примеру, аденина в ДНК можно, не рискуя ошибиться, предсказать количество тимина в той же молекуле. Руководствуясь этими «правилами Чаргаффа» и данными рентгеноструктурного анализа ДНК, выполненного Морисом Уилкинсом, Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 году предложили весьма оригинальное решение вопроса о вторичной структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты. В журнале «Природа» они опубликовали статью, которая начина

лась словами: «Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный интерес».

Вы, конечно, понимаете, что здесь речь идет о выдающемся открытии. Но как просто, с большим достоинством, ничуть не рисуясь, говорят об этом ученые! Эта структура — двойная спираль, образованная из переплетенных нитей ДНК, скрепленная водородными связями.

Дезоксирибонуклеиновая кислота непосредственно не участвует в синтезе' белка и находится в хромосомах тканей. Она лишь передает информацию рибонуклеиновой кислоте (РНК), которая отличается от ДНК тем, что содержит сахар слегка измененной структуры (рибозу), и вместо тимина в ее состав входит урацил. Кроме того, РНК состоит из одной цепи, согнутой пополам и скрученной двойной спиралью. Главная задача молекулы — передать полученную информацию клеткам, которые синтезируют белок на цитоплазме. Правда, эти, да и многие другие процессы в живой материи представляются лишь в самом общем виде. И если качественный состав нуклеиновых кислот определен точно, то раскрытие механизмов действия их в организме — первоочередная проблема биохимии.

Роль углерода в неорганической химии куда скромнее. Так уж сложилось с давних пор. что лишь оксиды элемента № 6 сероуглерод, карбиды, а также соли синильной и угольной кислот находятся в поле зрения неоргаников. И что самое удивительное: большая часть атомов углерода нашей планета приходится не на весь органический мир в целом а лишь на два минерала — известь н доломит.) Кроме того, элемент С или ином виде входит в состав многих горных пород. С давних пор для отделочных работ в строительстве с успехом применяют малахит и мрамор. Эти соединения — соли угольной кислоты. Карбонат кальция — известняк — является сырьем в производстве цемента, извести. Доломит широко используется для изготовления огнеупоров. В стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной промышленности важную роль играют сода и поташ.

Ценными свойствами обладают карбиды — соединения углерода с кремнием, бором, многими металлами. Самое известное вещество этого класса — карбид кальция. При взаимодействии с водой он разлагается, образуя ацетилен С₂Н₂ и гашеную известь Са(ОН) ₂. Выделяющийся газ — ценней-

шее сырье для органического синтеза. Из него получают ацетальдегид по методу Кучерова, этиловый спирт, виниловые соединения, а также красители, лекарственные препараты, лаки, синтетические волокна, пластмассы.

Однако некоторые карбиды, гидролизуясь, дают другие углеводороды. Так, Ве₂С и А₄С₃ при взаимодействии с горячей водой выделяют метан, Мn₃С — смесь метана с водородом, довольно редкий Мg₂Сз образует аллилен — ацетилен, в котором атом водорода замещен метильной группой, а один из карбидов урана дает смесь жидких углеводородов.

Большая группа карбидных соединений не реагирует с водой и разбавленными кислотами. К их числу относятся карбиды титана, ниобия, вольфрама, гафния. Кроме того, они обладают исключительной твердостью и применяются для покрытия некоторых специальных сталей и сплавов. Карбид кремния — карборунд — по своей структуре и свойствам напоминает алмаз. Его выплавляют в электрических печах из кокса и кварцевого песка. Полученные кристаллы или порошок используют обычно в качестве абразивного материала и реже — в производстве огнеупоров.

Очень важную роль в природе играет углекислый газ. Им «питаются» растения, превращая его в органические вещества. К тому же он является своеобразным «одеялом» Земли. И вот почему. Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обогревают нашу планету, и отражает инфракрасные, излучаемые с ее поверхности в космическое пространство. И если вдруг углекислый газ исчезнет из атмосферы, то это в первую очередь скажется на климате. На Земле станет гораздо прохладнее, дожди будут выпадать очень редко. К чему это в конце концов приведет, догадаться нетрудно. Правда, такая катастрофа нам пока еще не грозит. Скорее даже наоборот. Сжигание органических веществ: нефти, угля, природного газа, древесины — постепенно увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере. Значит, со временем надо ждать значительного потепления и увлажнения земного климата. Кстати, старожилы считают, что уже сейчас заметно теплее, чем было хотя бы во времена их молодости...

Широко используется углекислый газ в повседневной практике. Например, газированная вода с добавками ароматных эссенций — прекрасный освежающий напиток, углекислотными огнетушителями пользуются при пожарах. Биохимики нашли, что удобрение... воздуха углекислым газом

весьма эффективное средство для увеличения урожайности различных культур. Пожалуй, такое удобрение имеет единственный, но существенный недостаток: применять его можно только в оранжереях.

На заводах, производящих диоксид углерода, сжиженный газ расфасовывают в стальные баллоны и отправляют потребителям. Если открыть вентиль, то из отверстия с шипением вырывается... снег. Что за чудо? Все объясняется просто. Работа, затраченная на сжатие газа, оказывается значительно меньше той, которая требуется на его расширение. И чтобы как-то компенсировать возникающий дефицит, углекислый газ резко охлаждается, превращаясь в «сухой лед». Он широко используется для сохранения пищевых продуктов и перед обычным льдом имеет значительные преимущества: во-первых, «хладопроизводительность» его вдвое выше на единицу веса; во-вторых, он испаряется без остатка.

Несколько слов об оксиде углерода. Это соединение часто Называют угарным газом, как бы напоминая о его ядовитых свойствах. Молекулы СО взаимодействуют с красящим веществом крови (гемоглобином) и блокируют при этом молекулы кислорода, вызывая удушье.

С тяжелыми металлами оксид углерода образует карбонилы — соединения с любопытными свойствами. Так, пентакарбонил железа уже давно добавляют в бензин для устранения стука в моторе. Способность никеля, кобальта, молибдена образовывать подобные соединения используется для глубокой очистки этих металлов. Количество молекул оксида углерода в карбонилах зависит от положения металла в Периодической системе. Но прежде уточним, как построена молекула угарного газа. Углерод в этом соединении формально двухвалентен. На самом же деле между атомами возникает более сложный тип связи. Этот вывод напрашивается сам собой, когда выясняется, что энергия, требуемая для разрыва молекулы, гораздо больше той, которая рассчитана, исходя из того, что связь между атомами двойная. По последним данным, в молекуле оксида углерода тройная связь. Дополнительная образуется за счет неподеленной электронной пары кислорода, которая занимает свободную ячейку, оставшуюся у атома углерода. Подобное строение проявляется в полосатых спектрах молекул не только в обычном, но и в возбужденном состоянии.

Но как же все-таки оксид углерода присоединяется к атомам переходных металлов? Изучение физических свойств карбонилов позволило с полной ясностью ответить на этот вопрос. Неподеленная пара электронов углеродного атома, которая не участвовала в образовании связи с кислородом, создает восемнадцатиэлектронную систему, повторяющую оболочку следующего за металлом инертного газа. Например, хрому для достройки внешнего слоя требуется 12 электронов. Иными словами, он должен присоединить шесть молекул оксида углерода. По этому принципу легко предсказать, сколько молекул для образования подобного соединения нужно никелю, у которого на внешней оболочке «не хватает» восьми электронов, или железу, нуждающемуся в десяти электронах. Несколько сложнее обстоит дело с кобальтом, которому необходимо приобрести девять электронов. Он вынужден идти на определенную хитрость: создавать многоядерный комплекс. Причем такое соединение плохо растворяется в бензоле, эфире, хлороформе и плавится с разложением.

С углеродом человек знаком с незапамятных времен. Мы не знаем имени первооткрывателя элемента занявшего шестую клетку в таблице Д. И. Менделеева. Трудно также и судить о том, какая из аллотропических форм углерода — графит или алмаз — была открыта раньше. Определенно лишь можно сказать, что задолго до того, как люди стали использовать алмаз и графит, они нашли в природных кладовых уголь — прекрасное топливо, калорийное и дешевое. Несколько десятилетий назад его считали третьей модификацией элемента № 6, но, в отличие от кристаллических алмаза н графита, аморфной. Рентгеноструктурным анализом было установлено, что даже очень чистый «аморфный углерод» — например, древесный уголь — напоминает своей тонкой структурой графит. Как же быть? Теоретики утверждают, что углерод должен иметь три аллотропические формы. Они мотивируют свои выводы тем, что в соответствии с гибридизацией его валентных электронов одна модификация должна быть пространственной (алмаз), другая — плоскостной (графит), а третья — линейной. Четвертого не дано. И так как «аморфный углерод» не оправдал возложенных на него надежд, ученые принялись за работу.

В начале 60-х годов советские химики В. В. Коршак, А. М. Сладков и В. И. Касаточкин каталитическим окислением ацетилена синтезировали «одномерный» полимер элемента № 6 и назвали его карбином (корень «карб» от сагboneum — углерод, а окончание «ин» принято в органической химии для веществ, содержащих тройные связи). Атомы углерода соединены в цепочку строго чередующимися одинарными н тройными связями. Внешний вид карбина не очень впечатляющ: черный мелкодисперсный порошок, обладающий полупроводниковыми свойствами. Его электропроводность заметно возрастает при освещении. На этом основаны первые практические шаги по использованию нового материала в технике. Карбиновые фотоэлементы надежны вплоть до 500 градусов, превосходя в этом смысле другие подобные приборы.

История химии знает немало примеров, когда какое-нибудь вещество, полученное в лаборатории, находили затем в природе. Так случилось и с карбином. В журнале «Сайенс» было опубликовано сообщение, что в кратере Рис, расположенном недалеко от Мюнхена, ученые обнаружили минерал, состоящий практически из чистого углерода. Ко всеобщему удивлению его структура ничуть не напоминала ни алмаз, ни графит. А вот с карбином у него много общего, и прежде всего — одинаковая структура элементарной ячейки. Правда, параметры граней решетки различны, но величины их кратные. Кроме того, вещество из кратера Рис серого цвета. Такие расхождения легко объясняются хотя бы с той точки зрения, что сравниваемые соединения — полимеры, свойства которых в значительной мере зависят от степени полимеризации. К тому же если это не алмаз и не графит, согласитесь, ему нечем быть, кроме как природным карбином.

Так оно и оказалось. Дифракция рентгеновских лучей в углероде, найденном в Баварии, и в углероде, синтезированном в лаборатории, практически одинаковая. Кстати, совсем недавно советские ученые из графита с помощью лазерного луча идентифицировали микрокристаллы белого карбина. А в Институте физики высоких давлений попробовали было превратить карбин в алмаз по проверенной на графите схеме, но тщетно. Впрочем, так оно должно и быть. Ведь теоретические расчеты как раз и говорят о наибольшей термодинамической устойчивости новой формы элементарного углерода. Кроме того, ожидается, что нитевидные кристаллы карбина окажутся самыми прочными материалами на Земле.

Совсем недавно в Институте элементоорганических соединений АН СССР синтезирован еще один линейный полимер углерода, названный поликумуленом. От карбина он отличается тем, что связи между атомами углерода в новом веще-

стве исключительно двойные. Это открытие ничуть не противоречит теории, которая допускала возможность существования такого соединения.

Особое место среди аллотропических модификаций углерода занимает алмаз — самое твердое вещество в природе. В прежние времена из него делали только украшения — бриллианты. Для этой цели на камнях шлифовали новые грани, которые подбирались таким образом, чтобы падающий свет полностью отражался, а потеря материала была минимальной.

В природных кладовых наряду с бесцветными встречаются окрашенные алмазы: фиолетовые, коричневые, светло-синие, бледно-зеленые, желтые. В Бразилии найдены даже черные камни — карбонадо. Самыми дорогими считаются совершенно прозрачные самоцветы — «чистой воды». Этому требованию удовлетворяет лишь двадцатая часть всех добываемых алмазов. Остальные тусклые, свинцово-серые камни употребляются для технических целей. В наши дни красивые «лежебоки» стали добросовестными тружениками. И имена у них появились простые, рабочие: сверла, коронки, волоки для протяжки проволоки. Они бурят крепчайшие породы, полируют детали из сверхпрочных материалов,, режут на части стекло, глыбы гранита и мрамора.

Зарубежные экономисты утверждают, что, лишись сейчас Соединенные Штаты Америки алмазного инструмента, и промышленный потенциал этой самой развитой капиталистической державы упадет наполовину, а производительность труда во многих отраслях снизится в 5—10 раз.

Посудите сами: резец из самого твердого сплава — карбида вольфрама — выдерживает 1500—1600 километров «рабочего пути». Алмазный же резец пробегает свыше 6000 километров! С помощью алмаза весом в один карат (0,2 грамма) можно протянуть столько проволоки, что ее длина почти составит расстояние от Земли до Луны, или изготовить несколько тысяч камней для часов, или нарезать миллион погонных метров стекла.

Мы часто говорим о молекулах — мельчайших скоплениях вещества. А можно ли увидеть простым глазом такую частичку, положить на ладонь? Вы недоверчиво улыбнетесь, чувствуя какой-то подвох. Но это не шутка. Воспользуемся традиционным приемом популярной литературы и приведем такой пример. Да, молекулу можно не только увидеть, но и

при удобном случае подержать в руках. Лучи Рентгена открыли нам очень любопытную картину: оказалось, что алмазный кристалл представляет собой... одну молекулу! Причем каждый атом равноудален от четырех других, расположенных тетраэдрически. Силы, действующие между ними, очень велики, чем и объясняется большая твердость и химическая стойкость алмаза. Достаточно сказать, что ни один химический агрессор не сумел подобрать к нему ключей.

С незапамятных времен люди знают этот драгоценный камень. В ведах, написанных ранее VI века до нашей эры, индусы упоминают о его чудесном сверкании. В более поздних произведениях («Брхатсанхита») описываются другие свойства алмаза. Хорошо знали его и древние греки. У Тео-фаста, жившего в IV веке до нашей эры, встречается термин «аламас», что в буквальном переводе означает «несокрушимый».

Крупные алмазы встречаются очень редко. Все они имеют собственные имена, и «биография» каждого связана с переходами от одного владельца к другому. Не случайно этот красивейший самоцвет часто называют камнем раздора. Из-за него люди совершали тягчайшие преступления и не стеснялись в выборе средств, пытаясь любой ценой заполучить желаемое. Англия растоптала две бурские республики — Оранжевую и Трансвааль в Южной Африке — только потому, что на их территории были обнаружены алмазные россыпи. За кровь убитого поэта и дипломата А. С. Грибоедова правитель Персии «расплатился» с русским царем крупным индийским алмазом «Шах»...

В 1905 году найден самый большой из всех известных сейчас алмазов. Назвали его «Куллинан», по имени одного из владельцев месторождения. Весил он более 600 граммов. Но из-за нескольких трещин, которые были в камне, его не удалось огранить без потерь. После специальной обработки ювелиры вырезали более сотни бриллиантов, и самый крупный из них — «Звезда Африки» — имеет форму капли и весит около 500 каратов. Второй по величине алмаз, найденный в природе, — «Эксцельсиор» — до обработки весил почти 200 граммов.

В Советской стране бриллиантами украшают некоторые знаки отличия, которыми отмечаются выдающиеся деятели нашего государства. Например, в маршальской звезде — 31 бриллиант. Самый крупный из них сверкает в центре и весит более 2,5 карата. Обрамлен алмазами и орден Победы.

По предположениям ученых, месторождения алмазов — глубины нашей планеты, где действуют огромные температуры и давления. Иногда магма выплескивается оттуда в виде узкой, расширяющейся кверху кнмберлитовой трубки. Такие выходы есть на юге Африки и в Бразилии. Советские геологи нашли кимберлитовые трубки и на территории нашей страны — в Якутии. Месторождение это считается богатейшим. Но не забывайте: на каждую тонну добытой породы приходится всего один грамм алмазов! Гора рождает мышь...

Поэтому ученые в течение многих лет искали способы превращения дешевого и доступного графита в алмаз. Весьма оригинально пытался решить эту проблему изобретатель электрической печи Анри Муассан. Он растворил графит в расплавленном железе и быстро охладил полученную смесь. Образовывающаяся на поверхности корка играла роль своеобразного автоклава, резко сжимая остывающую массу. После этого Муассан растворил сплав в кислоте и в осадке обнаружил зернышки, по своим свойствам напоминавшие алмаз. Сенсационное сообщение в ближайшем номере научного журнала принесло президенту французского химического общества Анри Муассану мировую известность. Но как часто бывает, скоропалительные выводы ученого оказались неправильными. Кристаллики, синтезированные таким способом, на поверку оказались карбидами железа... Лишь в середине 50-х годов английским естествоиспытателям удалось осуществить давнюю мечту. Давление в tOOOOO атмосфер и температура в 3000 градусов сделали свое дело: кристаллическая решетка перестроилась и графит стал алмазом.

Синтезом самого твердого природного минерала овладели и советские ученые. В 1961 году сотрудники Киевского института синтетических сверхтвердых материалов преподнесли в подарок XXII съезду партии искусственные алмазы. Наша наука сделала еще один важный шаг: механизировала их обработку. Ученые создали целую гамму станков, избавивших гранильщиков от изнурительного труда. Благодаря этим механизмам наша промышленность в кратчайший срок получила огромное количество необычайно прочных буровых коронок, долот, резцов и другого инструмента. В начале 1978 года в Институте физической химии АН СССР завершена разработка нового эффективного способа получения алмазов. Ученые модифицировали классический школьный опыт по выращиванию кристаллов. Помните? Учитель привязывал на нитку

крохотный кристалл медного купороса и опускал его в насыщенный раствор соли. На следующем уроке, священнодействуя, вытаскивал «улов». Эту идею: наращивать поверхность за счет внешней среды — реализовали на практике в Институте физической химии.

В кварцевый реактор, заполненный очищенным природным газом, вводят алмазную пыль. Кристаллы растут буквально на глазах. Наилучший режим: температура порядка 1000 градусов и небольшое разрежение. Выращенные в метане алмазы могут использоваться, как и их природные собратья, для полировки оптических стекол телескопов, зеркал, применяемых в лазерной технике, и т. п.

Поисковые работы завершены. На очереди внедрение прогрессивной технологии на промышленных предприятиях. Алмаз в наше время — основа технического прогресса во многих отраслях хозяйства.

Третья модификация элемента № 6 — графит (этот термин произошел от греческого «графио» — пишу, и ввели его в обиход минералоги А. Вернер и Д. Карстен) — кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Он хорошо проводит электрический ток, весьма инертен в химическом отношении и поэтому широко используется в технике. Елецкий завод, например, вырабатывает из него прожекторные угли, плавильные тигли и электроды для различных физико-химических процессов. С помощью графитовых стержней, которые почти не поглощают нейтронов, но хорошо замедляют их, регулируется скорость ядерных реакций в атомных котлах.

Почти ежедневно имеем дело с графитом и мы с вами. Из него с давних пор делают сердечники карандашей, причем твердость их