Нынешний быстрый прогресс подлинной Науки вызывает у меня порой грустное чувство сожаления, что я родился так рано. Невозможно даже вообразить, какой степени могущества в ближайшее тысячелетие достигнет власть человека над материей. О, эта добродетельная Наука тогда станет чудесной стезей совершенствования, ведущей к тому, что люди перестанут быть волками по отношению друг к другу и человеческие существа познают наконец то, что они ныне неоправданно величают гуманностью.
Бенджамин Франклин,
из письма к химику Джозефу Пристли,
8 февраля 1780
Для чего нужно изучать химию? Одно из важных оснований для этого содержится в приведенных выше словах Бенджамина Франклина: химия и родственные ей науки позволяют человеку, его разуму достигнуть власти над материей. Почти 200 лет назад Франклин сказал, что наука быстро прогрессирует. И нам известно, что науки развиваются все более стремительно, и благодаря научному и техническому прогрессу мир, в котором мы живем, во многом изменился по сравнению с тем, каким он был во времена Франклина.
Наука играет столь важную роль в современной жизни, что ни один человек без научных знаний не может правильно понять мира, в котором он живет.
Наука химия имеет дело с веществами. На данной стадии изучения химии можно обойтись без научного определения понятия «вещества», ограничившись допущением, что читатель имеет общее представление о значении этого слова. Общеизвестные примеры веществ — вода, сахар, соль, медь, железо, кислород; впрочем, каждый может привести и многие другие примеры.
Полтораста лет назад английский химик Хамфри Дэви (1778— 1829) открыл, что обычную соль можно разложить путем пропускания через нее электрического тока на мягкий серебристый металл, который он назвал содием* (натрий), и зеленовато-желтый газ, открытый немного раньше и названный хлором. Газообразный хлор оказывает сильное корродирующее действие на многие металлы, при вдыхании раздражает слизистую носа и горла. То, что вещество соль, состоящее из металла (натрия) и коррозионно-активного газа (хлора), обладает совершенно иными свойствами, лишь один из многих открытых химиками удивительных фактов, относящихся к природе веществ.
Проволока из натрия горит в хлоре, давая соль. Процесс соединения натрия и хлора с образованием соли называется химической реакцией. Обычный огонь также является следствием химической реакции — соединения горючего с кислородом воздуха, в результате чего образуются продукты горения. Так, бензин состоит из соединений углерода с водородом, и когда смесь бензина и воздуха мгновенно сгорает в цилиндрах автомобильного двигателя, происходит химическая реакция, при которой бензин и кислород воздуха реагируют с образованием двуокиси углерода и паров воды (плюс небольшое количество окиси углерода); при этом выделяется энергия, обуславливающая движение автомобиля. Двуокись (диоксид) и окись (оксид) углерода — соединения углерода с кислородом, а вода — соединение водорода с кислородом.
Химики изучают вещества, чтобы возможно больше узнать о их свойствах (характерных качествах) и о реакциях, в результате которых они превращаются в другие вещества. Полученные таким образом сведения чрезвычайно ценны. Они не только удовлетворяют человеческую любознательность, желание человека больше знать о самом себе и о мире, в котором он живет, но и способствуют превращению этого мира в более удобную среду обитания людей, чтобы сделать их более счастливыми путем повышения жизненного уровня, уменьшения страданий, вызываемых болезнями, и расширения сферы человеческой деятельности.
Рассмотрим несколько примеров, показывающих, как знание химии помогало человеку в прошлом и как может помочь ему в будущем.
Сто лет назад было установлено, что из некоторых растений, например из мака и кокаинового куста (кока), можно выделить препараты, которые утоляют боль (обезболивающие средства). Из этих растений химики выделили чистые вещества, морфин и кокаин, которые обладают болеутоляющим действием. Однако эти вещества имеют и нежелательное свойство — вновь вызывают потребность в них, иногда приводящую к наркомании. Химики затем исследовали морфин и кокаин для установления их химического строения и после этого искусственно синтезировали множество других веществ близкого строения, определили их болеутоляющую силу и наркотическое действие. Таким образом были получены препараты значительно более сильные, нежели природные вещества; синтезированы препараты, в 10 000 раз превосходящие действие морфина.
Аналогичную историю имеет открытие общих анестезирующих средств. В 1800 г. Хамфри Дэви — молодой ученый, только начинающий научную карьеру, — испытывал на себе действие многих газов. (Ему повезло, что дело не кончилось смертью, поскольку один из газов, который он вдыхал, был очень ядовит). Он установил, что вдыхание газа, получившего впоследствии название «веселящего», вызывает состояние истерии и что люди под его действием не ощущают боли при падении и ушибах. Он рекомендовал использовать этот газ в хирургии, записав следующее: «Поскольку закись азота по своему широкому действию способна снимать физическую боль, ее, вероятно, можно успешно применять при хирургических операциях». Его совет, однако, оставался незамеченным на протяжении почти пятидесяти лет. Лишь в 1844 г. закись азота [оксид азота N20] была использована доктором Хорасом Уэлсом в Хартфорде (США) при удалении зубов, а двумя годами позже была сделана первая хирургическая операция под наркозом с использованием диэтилового эфира (в Массачусетском госпитале, Бостон). Эфир, хлороформ и закись азота вскоре начали применять всюду. Применение анестезии было великим открытием не только потому, что она снимает боль, но и потому что позволяет проводить тончайшие хирургические операции, которые невозможны, если пациент остается в сознании.
Резиновую промышленность можно упомянуть как отрасль химической промышленности. Она возникла после того, как было установлено, что сырой каучук — липкое вещество, получаемое из сока каучукового дерева, — можно путем вулканизации (смешивания с серой и нагревания) превратить в резину, обладающую более ценными, чем каучук, свойствами (значительно большей прочностью, отсутствием липкости). На протяжении последних лет материалы, подобные резине, изготовляют из синтетического каучука; они по многим показателям превосходят резину из натурального каучука. Синтетический каучук получают из продуктов переработки нефти или природного газа.
Производство стали — другая огромная область химической промышленности. Сталь, состоящая в основном из металлического железа, представляет собой важный конструкционный материал. Сталь получают из железной руды путем сложных химических процессов. В США ежегодно производят приблизительно 800 кг стали на душу населения.
Химия играет столь важную роль в жизни человека двадцатого столетия, что этот век с полным основанием можно назвать веком химии.
* В 1807 г. X. Дэви впервые получил (металлический натрий путем электролиза едкого натра (NaOH). Данное им название элемента содий (sodium) происходит от испанского слова сода (soda), имеющего то же значение, что и в русском языке. Это название до настоящего времени сохранилось только в США и в некоторых других странах. Общепринятое название элемента натрий (natrium) происходит от арабского слова натрун и греческого нитрон, также первоначально относившихся к природной соде. — Прим, перев.