Хью Олдерси-Уильямс
Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка
Periodic Tales: The Curious Lives of the Elements by Hugh Aldersey-Williams
© 2012 by Hugh Aldersey-Williams
© Минкин С., перевод на русский язык, 2012
© ООО «Издательство АСТ», 2019
«Научные сказки» Олдерси-Уильямса – одна из тех книг, которые захватывают вас и не отпускают до последней страницы! Я всегда был очарован химией и экстраординарными людьми, стоящими за открытиями и знаниями, которые мы воспринимаем как должное и на которых покоится наша цивилизация. Все, что я могу сказать, это – прочтите книгу! Вы не будете разочарованы, вы обнаружите, что ваше научное мировоззрение расширяется экспоненциально.
Рон Флеминг, преподаватель, Флорида
Научная литература в ее лучшем воплощении! Ах, если бы так преподавали химию в школе!
Мэтт Ридли, Prospect Magazine
Эта книга открывает мир химии таким образом, какого вы никогда не видели!
Джефф Пирс, Калифорния
Виртуозный тур по периодической таблице! История, наука, искусство, литература и повседневное применение всех элементов периодической таблицы от алюминия до цинка.
The Times
Пролог
Подобно алфавиту или знакам Зодиака, периодическая таблица элементов представляет собой набор графических образов, со школьной скамьи навеки засевших у большинства из нас в памяти. Та, которую я с тех самых времен помню лучше других, висела на стене за учительским столом, словно алтарная фреска, а лоснящаяся пожелтевшая бумага, на которой она была изображена, служила зримым свидетельством долгих лет активного химического воздействия. Она преследовала меня в воспоминаниях, хотя обстоятельства сложились так, что я в течение многих лет довольно редко заглядывал в химические лаборатории. Теперь она висит у меня на стене.
Или, точнее, висит таблица, очень на нее похожая. На этой таблице – с детства знакомый ступенчатый силуэт из аккуратно расположенных прямоугольников; каждый из них соответствует определенному элементу, в каждом содержится символ и номер соответствующего элемента. Однако моя таблица кое-чем отличается от привычных нам периодических таблиц. Там, где должно стоять название элемента, вписано совершенно другое слово, не имеющее никакого отношения к науке. Символ О обозначает не элемент кислород, а бога Орфея. Br – не бром, а художника Бронзино. Целый ряд других прямоугольников занят звездами кино 1950-х.
Описанная здесь периодическая таблица – литография английского художника Саймона Паттерсона. Паттерсон черпает вдохновение в графиках и диаграммах, с помощью которых мы упорядочиваем окружающий нас мир. Присущий ему стиль состоит в том, чтобы, признав важность некого символа порядка, затем внести хаос в его содержание. Самое известное произведение Паттерсона – карта лондонского метро, на которой станции на всех линиях переименованы в честь святых, путешественников и популярных футболистов. Пересечения линий вызывают неожиданные и порой весьма странные ассоциации.
Неудивительно, что ему захотелось сыграть в ту же игру и с периодической таблицей. Паттерсон сохранил мрачные воспоминания о том, как они с товарищами тупо зубрили ее в школе. «Так, по-видимому, учителю было удобнее всего преподавать химию; увы, как он ни старался, я не сумел ее выучить», – рассказывал мне Саймон. Однако сама структура таблицы навсегда врезалась ему в память. Через десять лет после окончания школы он создал несколько вариаций на тему периодической таблицы элементов, в которых каждый элемент вызывает цепочку ложных ассоциаций. Cr – не хром, а Джули Кристи (Julie Christie). Cu – не медь, а Тони Кёртис (Tony Curtis). В конце концов Паттерсон нарушает и собственную систему ассоциаций, и Ag, традиционное обозначение серебра, превращается у него не в Дженни Эгаттер и даже не в Агату Кристи, а в Фила Силверса. За этими новыми значениями старых символов порой скрывается своя неожиданная логика. Так, например, следующие друг за другом элементы бериллий и бор (символы Be и B) – Бергманы, Ингрид и Ингмар соответственно. Актеры братья Рекс и Родс Ризон также помещены рядом, им приписаны символы рения (Re) и осмия (Os). Ким Новак (Na, натрий) и Грейс Келли (K, калий) расположены в одной колонке таблицы – обе играли главные роли в фильмах Хичкока. Однако в целом у художника трудно найти какую-то систему, кроме неизбежно возникающих собственных ассоциаций. Я, например, с восторгом отметил, что Po, символ полония, радиоактивного элемента, открытого Марией Кюри и названного ею в честь ее родной Польши, у Паттерсона означает польского режиссера Романа Полански.
Сейчас мне нравится немного нелепое хулиганство работ Паттерсона, но в школьные годы я бы, конечно, к подобной чепухе отнесся с глубочайшим презрением. В то время как Саймон выдумывал все новые неожиданные сочетания, я просто запоминал ту информацию, которую должен был запомнить. Элементы, как я сразу же понял, – это универсальные и фундаментальные составные части материи. Все в мире состоит из элементов. Но таблица, в которую их собрал русский химик Дмитрий Менделеев, есть нечто большее, чем простая их сумма. Ему удалось отыскать особый смысл в размещении хаотического множества элементов последовательно, в соответствии с их атомным числом (то есть количеством протонов в ядре атома) так, что мгновенно стали очевидны их взаимосвязи (названные взаимосвязи имеют периодический характер, что сразу же становится очевидным при взгляде на вертикальные ряды).
У таблицы Менделеева своя собственная жизнь. Для меня она всегда была одной из величайших и не подлежащих сомнению мировых систем. Она так много объясняла в окружающем меня мире, казалась такой естественной, что создавалось впечатление, будто она существовала всегда. Она не могла быть недавним изобретением современной науки (хотя, по сути, когда я впервые ее увидел, ей было меньше ста лет от роду). Я признавал за ней силу некого высшего символа – и в то же время начал понемногу и с осторожностью задаваться вопросом, что она на самом деле означает. Сама таблица каким-то странным образом умаляла значение своего содержания. Благодаря ее непреклонной логике последовательности и сходства сами элементы с их беспорядочной материальностью становились почти излишними.
По периодической таблице, висевшей у меня в классе, невозможно было понять, как выглядят элементы. Я смог осознать, что за этими символами стоит нечто реальное, только рассматривая огромную подсвеченную таблицу химических элементов, которая когда-то висела в Музее науки в Лондоне. На той таблице размещались реальные образцы элементов. В каждом прямоугольнике уже хорошо мне знакомой таблицы располагался маленький стеклянный шарик, в котором находились либо сверкающие, либо совсем тусклые образцы элементов. Наверняка удостовериться, что перед вами реальные образцы, было, конечно, невозможно, но исходя из того, что образцы многих редкоземельных и радиоактивных элементов отсутствовали, можно было заключить, что все остальные вполне аутентичны. Здесь я по-настоящему уяснил для себя многое из того, чему нас учили в школе: элементы, пребывающие в газообразном состоянии, в основном находятся в верхних рядах таблицы; металлы пребывают в центре и слева, а более тяжелые – в нижних рядах (все они были в основном серого цвета, хотя один ряд – с медью, серебром и золотом – вносил некое цветовое разнообразие); неметаллы, более разнообразные по цвету и структуре, располагаются в верхнем правом углу.
И с этого момента я начал собирать свою собственную коллекцию. Что оказалось совсем не простым делом. Очень немногие элементы можно найти в природе в чистом виде. Как правило, они пребывают в связанном состоянии в минералах и рудах. Поэтому я стал рыскать по дому, пользуясь плодами столетий, на протяжении которых человек выделял их из упомянутых руд и пускал в дело. Я разбивал перегоревшие лампочки, с хирургической тщательностью извлекал вольфрамовые нити, а затем помещал их в маленький стеклянный пузырек. Алюминий я отыскал на кухне в форме фольги, медь принес из гаража в виде электрического провода. Иностранную монетку, которая, как мне сообщили, была изготовлена из никеля, – не как американский «никель» – десятицентовик, в составе которого, как мне было хорошо известно, в основном, медь, – я распилил на несколько кусочков неправильной формы. В таком виде монетка обладала для меня гораздо большей ценностью. Она становилась как бы ближе к своему исходному состоянию. Я обнаружил, что у моего отца с юности сохранилась золотая фольга, которую он когда-то использовал для оформления. Я извлек фольгу из ящика, где она пролежала в полной темноте 30 лет, и она вновь ярко заблистала у всех на виду.
Моя коллекция обладала целым рядом преимуществ по сравнению с тем, что я видел в Музее науки. Я мог не только рассматривать образцы с близкого расстояния, но и прикасаться к ним, ощутить их тяжесть. Маленький блестящий слиток олова, который мне удалось отлить в керамической ванночке из расплавленного припоя, оказался на удивление тяжелым. Я мог, ударив свои образцы о стекло, оценить характеристики звука, который они издают. Серу – лимонного цвета с блестками – можно было лить и мешать, как расплавленный сахар. С моей точки зрения, ее красоту ничуть не портил резковатый запах. Об этом запахе мне напомнила баночка серы, приобретенная в лавке для садоводов; серу используют с целью дезинфекции парников и оранжерей. Сейчас, когда я печатаю лежащий перед вами текст, от моих пальцев исходит суховатый древесный аромат, в котором для меня нет абсолютно ничего дьявольского; что бы там ни утверждалось в Библии, он просто вызывает воспоминания о моем детском экспериментаторстве.
С другими элементами меня ожидало намного больше работы. Цинк и углерод я взял из батареек. Цинк – из оболочки, служащей в качестве одного из электродов, а углерод – из графитового стержня, каковой выступает в роли другого электрода. Точно таким же образом я получил и ртуть. Более дорогие ртутные батареи использовались в различных электронных устройствах. Ко времени окончания их срока службы оксид ртути, источник питания, превращался в металлическую ртуть. Я ножовкой срезал концы батарей, а остатки вещества собирал в колбу. С помощью нагревания колбы я выделял металл, внимательно наблюдая за тем, как крошечные сверкающие капельки конденсируются из густых ядовитых паров, а затем собираются в одну крупную подвижную серебристую каплю. (В настоящее время такие эксперименты – так же как и подобные батареи – запрещены из соображений безопасности.)
В те наивные времена некоторые из элементов можно было приобрести в обычной аптеке. Таким образом я получил йод. Другие достал у поставщика химических веществ в Тоттенхэме, задолго до того закрывшего свой бизнес из-за ограничений на продажу соединений, рассматривавшихся как возможный материал для изготовления бомб, ядов и многих других жутких вещей. И хотя родители с радостью поощряли мои увлечения и всегда готовы были отвезти меня туда, сама поездка в дальний конец Севен-Систерз-роуд в старенькую лавку под постоянно сотрясающимся от грохота железнодорожным переездом, в которой стоял специфический химический аромат, отдавала неким тайным заговором.
Таким образом, создание моей собственной таблицы Менделеева активно продвигалось вперед. Я расчертил на прямоугольники кусок фанеры и повесил его на стене у себя в спальне. Затем поместил имеющиеся у меня образцы в одинаковые пузырьки и прикрепил их в соответствующие ячейки на фанере. Чистые элементы (в химическом смысле) сами по себе используются редко. В чем я очень скоро убедился. Вещества, которые применяются в разных сферах жизни, те, что вступают в реакции, взрываются или ярко окрашены, в основном представляют собой химические соединения элементов, но их я держал в шкафчике в ванной, где и проводил свои эксперименты. Элементы же я просто коллекционировал. Они привлекали меня своей загадочной упорядоченностью. У них было совершенно определенное начало, четкая последовательность, и, вероятнее всего, должен был быть и конец. (Тогда я мало что знал о напряженной холодной войне, что велась между американскими и советскими учеными, изо всех сил пытавшимися опередить друг друга в синтезе новых элементов за пределами того набора из 103 ячеек, который прочно сидел у меня в памяти.) Как коллекционер, я стремился к одной цели, какой бы недостижимой она ни была в реальности: заполнить все позиции таблицы. Однако это было не просто коллекционирование ради коллекционирования. Заполняя прямоугольники на своей доске, я собирал кирпичики, из которых состояла вселенная, окружающий меня мир. Моя коллекция не имела ничего общего с фальшью филателии и прочих распространенных вариантов коллекционирования, в которых правила игры устанавливаются по прихоти самих коллекционеров или, что совсем уж чудовищно, компаний-производителей вожделенных объектов собирательства. Моя коллекция была фундаментальной. И объекты ее были частью вечности. Они возникли в первые мгновения после Большого Взрыва и будут существовать еще невообразимо долго после того, как исчезнет человечество, а за ним и вся жизнь на Земле, и даже после того, как сама наша планета будет поглощена своим собственным взрывающимся красным солнцем.
Такова была система мира, которую я предпочел всем остальным, – система, полнотой не уступавшая многим другим. История, география, законы физики, литература – все они представляют собой всеохватывающий образ мира со своей точки зрения. Все, что происходит, происходит в истории, в какой-то географической местности и в конечном итоге сводимо к взаимодействию энергии и материи. Но кроме того, все происходящее, в материальном смысле слова, складывается из элементов: Великая рифтовая долина, Поле золотой парчи[1], ньютоновская призма, «Мона Лиза» – все они состоят из элементов.
В школе примерно в то же самое время мы читали «Венецианского купца». Однажды на уроке я должен был изображать Бассанио; роль, собственно, не такая уж и плохая, но я очень не любил читать вслух. И вот мы подошли к той сцене, где Бассанио предстоит выбрать один из трех ларцов с тем, чтобы в случае правильного выбора получить руку Порции. Пока несчастный ученик, которому выпало читать за Порцию, что-то невнятно бубнил, я с ужасом ждал своей очереди. «Позвольте выбрать; Жить так, как я живу, ведь это пытка»[2], – наконец произнес я без всякого чувства. Затем мне следовало выбрать между воображаемыми ларцами. Никто бы не смог ничего понять о персонаже, который я представлял, из моего лишенного всяких интонаций монотонного чтения. Вначале я отверг «золото блестящее», затем и серебро, «посредник тусклый, пошлый / Между людьми»[3], и в конце концов остановил свой выбор на «простом свинце». И тут что-то у меня в голове щелкнуло. Три элемента! Шекспир был химиком? (Позже я обнаружил, что химиком был Т. С. Элиот, он занимался химической спектроскопией. В «Бесплодной земле» он рисует яркий образ усеянной гвоздями корабельной древесины зеленой от меди и оранжевой от натрия, которого много в морской соли.)
Понемногу до меня начало доходить, что элементы могут рассказать многое и об истории культуры. Золото всегда имело в человеческой культуре совершенно конкретный смысл. У серебра был другой смысл, у свинца – третий. Более того, все перечисленные смыслы своими корнями уходили в химию. Золото ценится за редкость, но его блеск порой считается безвкусным, так как это один из немногих элементов, встречающихся в природе в чистом, не связанном виде, без стеснения демонстрирующий свой блеск, а не скрывающий его во тьме руды. И у меня возник вопрос: а обо всех ли элементах существуют подобные мифы?
Даже сами названия часто многое говорят об истории. У элементов, открытых в эпоху Просвещения, названия взяты из античной мифологии: титан, ниобий, палладий, уран и т. п. Элементы, которые обнаружили в XIX столетии, как правило, свидетельствуют о месте своего происхождения или о родине тех, кто их открыл. Немецкий химик Клеменс Винклер выделил германий. Швед Ларс Нильсон назвал открытый им элемент скандий. Мария и Пьер Кюри обнаружили полоний и назвали его – правда, встретив на этом пути определенное противодействие – в честь горячо любимой родины Марии. Чуть позже научный дух становится более космополитическим. Европий получил свое название в 1901 г., а уже в конце ХХ столетия несколько не лишенных чувства юмора бюрократов в одном из европейских банков решили, что химические соединения с названным элементом следует использовать для изготовления люминесцентных красителей, которые будут применяться для защиты банкнот евро от подделки. Кто бы мог подумать, что даже для мало кому известного европия настанет день славы?!
Итак, вся наша культура населена элементами. И в этом нет ничего удивительного: из элементов состоит все вокруг нас. Должно удивлять другое – то, насколько редко мы осознаем упомянутый факт, в чем во многом повинны сами химики, привыкшие заниматься своей наукой и преподавать ее в высокомерной изоляции от всего вокруг. Однако часть вины лежит и на гуманитариях. С неприятным удивлением я обнаружил, к примеру, что биограф Матисса в работе о нем ни разу не упомянул о составе красок, которыми пользовался художник. Возможно, мой подход к данному вопросу покажется кому-то необычным, но я уверен, что Матисс не мог быть безразличен к химическому составу красок.
Элементы не просто занимают определенные строго фиксированные места в нашей культуре, как и в периодической таблице. Их популярность растет и падает по прихоти культуры. В знаменитом стихотворении Джона Мейсфилда «Грузы» перечисляются 18 товаров. В трех его коротких строфах изображены три эпохи мировой торговли и грабежей. Одиннадцать из 18 упомянутых в стихотворении товаров от ниневийской галеры, груженой содержащей кальций слоновой костью, до грязного британского торгового судна с грузом «Угля из Тайна, железнодорожных рельсов, свинца в болванках, дров, металла и дешевых оловянных подносов», представляют собой либо элементы в чистом виде, либо материалы, источник ценности которых составляют особенности какого-то конкретного элемента, входящего в их состав.
С момента открытия каждый элемент начинает свое путешествие в культуре. Со временем он может стать в ней вездесущим, как, например, железо или углерод в форме угля. Или может приобрести большое экономическое или политическое значение, при этом оставшись практически незримым, подобно кремнию или плутонию. Или, как европий, внести в нее свой изящный штрих, о котором будет известно лишь немногим. Я писал школьное сочинение («Почему Бассанио выбрал свинцовый ларец?») ручкой «Осмироид», фирменное название которой происходит от осмия и иридия. С их помощью в ней укреплялось перо.
В ходе постепенного вхождения элемента в культуру мы начинаем все лучше и лучше понимать его. Впечатления и опыт тех, кто добывает элемент, вдыхает его запах, продает его, наделяют его смыслом. Именно в процессе труда оценивается вес элемента и измеряется его сопротивление, оценивается его значимость, в результате чего, к примеру, Шекспир может говорить о золоте, серебре и свинце так, как он это делает, и публика прекрасно понимает, что имеет в виду поэт.
В тесной связи с культурой находятся не только элементы, с древнейших времен известные человеку. Современные художники и литераторы использовали в своих произведениях относительно недавно открытые элементы, такие как хром и неон, примерно с той же целью, с какой Шекспир использовал элементы, известные в его время. Названные элементы, которые 50 лет назад символизировали невинный шик общества потребления, сейчас ассоциируются с дешевой безвкусицей и пустыми обещаниями. Место, когда-то занимаемое хромом, ныне принадлежит более современному элементу – титану, который в нашем представлении связан с модной одеждой и компьютерным оборудованием. В подобных случаях значение элемента полностью отделяется от него самого: насколько больше в окружающем нас мире «платиновых» блондинок и «платиновых» кредитных карточек (ни те, ни другие не содержат никакой платины), нежели платиновых колец? Даже некоторые весьма редкие элементы также претерпели упомянутую трансформацию. Когда-то в качестве различного рода лекарств был очень популярен «радий», иногда в виде собственно вещества, иногда просто как название. И, к примеру, хоть ручки «Осмироид» больше не выпускают, до сих пор существует телефонная компания «Иридий».
* * *
Если бы мне пришлось вновь заняться составлением моей периодической таблицы, я, конечно, попытался бы опять представить в ней образцы всех элементов, но мне обязательно захотелось бы проследить их путешествие по истории культуры. Я уверен, что элементы оставили яркий, многоцветный след на пути нашей цивилизации. Черная полоска – от угля, белая – от кальция в меле, мраморе и жемчуге, синяя – от кобальта в стекле и фарфоре. Яркими полосами проходят они сквозь пространство и время, географию и историю. Собственно, «Периодические рассказы» и есть начало составления такой новой таблицы.
Итак, перед вами книга историй: историй об открытиях и открывателях; о ритуалах и ценностях; о пороках и добродетелях; о поражениях и победах; о науке и суевериях. Эта книга посвящена не только химии, в ней не меньше сведений по истории, мифологии, культурологии; большие ее части посвящены экономике, географии, геологии, астрономии и религии. Я намеренно отказался от рассмотрения элементов в той последовательности, в которой они представлены в периодической таблице, и от подробного систематического описания всех их характеристик, свойств и способов использования. Желающие могут познакомиться с перечисленным по другим источникам. Я исхожу из того, что периодическая таблица сама по себе превратилась в самодостаточный образ. Упорядоченная сетка квадратов, странные названия и загадочные символы, последовательность элементов, столь же строгая и столь же произвольная, на первый взгляд, как и последовательность букв в алфавите, – все это обладает какой-то странной притягательностью и служит бездонным источником для телевизионных викторин (что расположено к юго-востоку от цинка?[4]). Но, пожалуй, только для них. Химики, по крайней мере, таким образом ею не пользуются.
По-настоящему интересны сами элементы. Периодической таблицы, когда-то казавшейся мне абсолютно безупречной, реально не существует. Конечно, кое-кто из химиков может мне возразить, однако таблица – всего лишь мысленный конструкт, не более чем мнемонический прием, позволяющий организовать элементы определенным образом с тем, чтобы выявить некие присущие им общие свойства. Но ведь их можно расположить и какими-то другими способами. В знаменитой песенке «Элементы» американский сатирик Том Лерер расположил их названия так, чтобы соблюсти требования размера и рифмы, а также чтобы они подходили под мелодию песни Артура Салливана «Я идеальный современный генерал-майор» из оперетты «Пираты Пензанса».
Мне хотелось отыскать культурные темы, с помощью которых я смог бы сгруппировать элементы по-новому, составить периодическую таблицу в антропологическом духе. С названной целью я выбрал пять основных тем: сила, огонь, ремесло, красота и земля.
Как хорошо видно из стихотворения Мейсфилда, имперская мощь всегда зависела от обладания элементами. Римская империя была построена на бронзе, испанская – на золоте, британская – на железе и угле. Баланс сверхдержав ХХ столетия поддерживался наличием ядерного арсенала, основанного на уране и получаемом из него плутонии. В разделе «Сила» я рассматриваю отдельные элементы, которые обычно накапливались в виде богатств и в конечном итоге использовались как средства влияния и контроля.
В разделе «Огонь» я пишу о тех элементах, ключом к пониманию которых служит свет, получаемый от их горения, или их коррозирующее воздействие. Со школьных лет мы помним, что натрий, к примеру, – элемент, при соединении которого с водой возникает веселая реакция с шипением и пузырьками, но более всего он знаком нам в виде вездесущего мангово-желтого цвета уличных фонарей, того самого цвета, что для многих литераторов уже давно стал символом специфически городской меланхолии.
В конце концов, культурное значение, приобретаемое тем или иным элементом, неизбежно связано с его фундаментальными характеристиками. И это особенно наглядно видно на примере элементов, которые люди, занимающиеся различными ремеслами, используют в качестве сырья. Многие металлы приобрели свое значение в культуре благодаря бесчисленным столетиям ковки, прокатки, литья и полировки. В разделе «Ремесло» объясняется, почему мы считаем свинец мрачным, олово – дешевым, а серебро – излучающим девственную невинность.
Человечество использовало элементы не только из прагматических соображений, но порой просто из чистого наслаждения, получаемого от их созерцания. Из раздела «Красота» вы сможете узнать, как некоторые элементы и их соединения окрашивают наш мир в разные цвета.
И наконец, в разделе «Земля» я описываю свое путешествие в Швецию с целью установить, как связаны определенные регионы нашей планеты с судьбой отдельных элементов и как повлияло обнаружение того или иного элемента на дальнейшую судьбу той местности, где его нашли.
Мои изыскания приводили меня в шахты и в мастерские художников, на заводы и в соборы, в леса и к морю. Я повторил некоторые из своих юношеских экспериментов, с тем чтобы самому получить ряд элементов. Мне было очень приятно обнаружить массу упоминаний об элементах в литературе. К примеру, Жан-Поль Сартр отмечает постоянство температуры плавления свинца (335 градусов Цельсия, пишет он), а Владимир Набоков находит мистическое значение в атоме углерода «с его четырьмя валентностями» и сравнивает углерод с мандалой. В Лондоне, проходя через Шордич, по дороге на встречу с Корнелией Паркер, художницей, задавшейся целью напоминать нам о культурном значении элементов, я был поражен скульптурой в витрине магазина, изваянной художниками с атомной электростанции, скульптурой, похожей на лимонное желе из светящегося уранового стекла. Совершенно ясно одно: элементы – не принадлежность лабораторий, они наша общая собственность. «Периодические рассказы» – описание путешествия по элементам, которое я, оставаясь просто химиком, никогда бы не предпринял. Но присоединяйтесь, и вы увидите много поразительного.