Химия – это музыка природы
Под таким заголовком в июньском номере журнала «Вестник Российской академии наук» за 2001 г. (с. 544–549) опубликована статья академика А.Л.Бучаченко. В преамбуле статьи говорится: «Химия – наука социальная. Ее высшая цель – удовлетворять нужды каждого человека и общества в целом. Многие надежды человечества обращены к химии.
Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, материаловедение являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охрана здоровья связаны с решением проблем химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга – это прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Живой организм представляет собой гигантский химический макрореактор, и освоение его химической галактики еще предстоит. Кроме того, мы ждем от химии новых материалов с магическими свойствами, источников и аккумуляторов энергии чистых и безопасных технологий и т. д.
Однако все это – внешняя сторона химии, доступная и ясная всем. Но есть в ней свой внутренний мир, внутренняя логика, торжественная красота, музыка...»
О внутренней стороне химии и говорится в статье, которая приводится ниже в кратком изложении.
Как фундаментальная наука химия сформировалась в начале ХХ в. вместе с квантовой механикой. Все объекты химии – атомы, молекулы, ионы и т. д. – являются квантовыми. Главное в химии – химическая реакция, т. е. перегруппировка атомных ядер и преобразование электронных оболочек, «электронных одежд» молекул-реагентов в молекулы-продукты. Это событие квантовое.
Три основных элемента квантовой механики составили прочный и надежный физический фундамент химии:
– понятие волновой функции электрона как распределения в пространстве и времени заряда и спина (углового момента);
– принцип Паули, «распределяющий» электроны по энергетическим уровням и спиновым состояниям, «рассаживающий» электроны по их собственным орбиталям (волновым функциям);
– уравнение Шредингера как квантовый «наследник» уравнений классической механики.
Точное понимание значений этих трех «китов» делает абсолютно ясным и прозрачным величественное, монументальное здание химии; из них рождается богатство и многообразие этой науки, в них заложены ее стройная логика, совершенство и красота. Именно они преобразовали периодическую таблицу Менделеева – величайшее открытие XIX в., значение которого выходит далеко за рамки химии, – в периодический закон.
Периодическим законом управляется заполнение электронных оболочек в ряду элементов, им диктуется химическое поведение атомов, из него следует вся теория химического строения вещества.
Химические ноты
Уравнение Шредингера – ключ ко всей химии. Решение этого уравнения приводит к дискретным уровням энергии и волновым функциям (орбиталям) электрона, квадрат модуля которых дает распределение его заряда в пространстве.
На практике этих функций всего 16: одна s-орбиталь, три p-орбитали, пять d-орбиталей и семь f-орбиталей. И как из комбинации простых шахматных ходов рождается бесконечное шахматное искусство, как из семи музыкальных нот возникает волшебная музыка, так из 16 простых атомных орбиталей – химических нот – сотворена могучая и неисчерпаемая химия, вся химическая архитектура мира.
Наука и искусство химического синтеза – это знание и умение комбинировать орбитали атомов таким образом, чтобы осуществлять химическую сборку молекул. Образно говоря, химия – это 16-нотная музыка, авторами которой являются два творца – Природа и Химик.
Фундаментальность физических проблем химии и самостоятельность физики химических процессов ясно осознал великий физик Р.Фейнман, выразив это одной фразой: «Химия – это самая сложная физика… физики отдали ее химикам…»
Логика современной химии
В
наши дни химия – гигантская разветвленная наука,
огромная мозаика из множества разных химий,
химических «губерний», число которых
приближается к числу субъектов Российской
Федерации. И все-таки химия фундаментально едина,
в ней есть общие заботы, общие стратегические
направления, единая логика.
Логика химии открывается наукой и искусством химического синтеза. Это ключ всей химии, источник всех ее достоинств и сокровищ; это то, что делает химию самой созидательной наукой, крупной частью мировой культуры, мощным фактором устойчивого развития цивилизации. В этом смысле химия больше, чем наука.
Следующий логический элемент – связь химической структуры с ее функцией; смысл его – увидеть или предвидеть, на что способны молекулы и вещества, что они умеют делать и где их можно использовать.
Третье направление – научиться управлять химическими процессами, дирижировать химией, чтобы получать нужные молекулы и вещества с требуемыми функциями.
Однако вещество – это еще не материал, нужно добиться, чтобы оно стало товаром, – и это забота химического материаловедения.
Задача пятого направления – дать веществу «путевку в жизнь» через химическую технологию – умную, чистую, экономичную, безопасную.
Шестое направление включает химическую энергетику – от молекулярного уровня запасания и преобразования энергии до химических источников тока и энергоемких веществ.
Химическая аналитика и диагностика (в том числе химические сенсоры, химия вкуса и запаха) – важнейший элемент безопасности окружающего мира.
И наконец, химия живого – гигантская «химическая галактика», цель которой – познать тот деликатный и тонкий химический макрореактор, который каждый из нас носит в себе (включая химию мозга, памяти, мышления, сознания, чувств, страстей, химические механизмы генерирования идей).
Новые мелодии нового века
В химии (как, впрочем, и во всякой живой науке) постоянно рождаются новые идеи, совершаются крупные прорывы, формируются новые тенденции – одним словом, пишется новая химическая музыка.
Главные события происходят в химическом синтезе: здесь совершаются каждодневные открытия, большие и малые, значимые и малозаметные. Ни одним из них нельзя пренебрегать, ибо в науке, как заметил философ, «мусор сегодняшнего дня может оказаться сокровищем для завтрашнего».
Атомная архитектура и природных, и
синтетических молекул бесконечно разнообразна и
эстетически совершенна. Созданы
молекулы-ротаксаны (кольца, двигающиеся по
стержню с ограничителями на концах), катенаны
(продетые кольца), фуллерены (футбольные мячи),
высокоспиновые ферромагнитные молекулы.
Синтезированы молекулы, функционирующие как
молекулярные машины, а также органические
сверхпроводники и сверхпроводящие керамики,
органические ферромагнетики, молекулы-
лестницы, молекулы-тороиды и многопалубники,
молекулярные контейнеры с «плененными» в них
атомами и ионами. Созданы дендримерные молекулы,
построенные по фрактальному типу, когда все
вещество является одной гигантской молекулой
(как алмаз).
Крупный прорыв в химии – синтез углеродных нанотрубок. Созданы технологии манипулирования этими молекулярными трубками: их можно резать, укладывать, перемещать, изгибать и т. д., а если их «нагрузить металлом», можно получить проводящую молекулярную проволоку. Таким образом, открывается реальный путь к молекулярной электронике.
Синтезирован металлический водород: желанная цель оказалась не слишком труднодостижимой – электропроводность его около 2000 сименсов, т. е. как у расплавленного цезия или рубидия.
Уже открывается новая эра нековалентной химии, которая строится на электростатических взаимодействиях ионов и диполей, водородных связях, ван-дер-ваальсовых силах и т. д.
Когерентная химия – новое лицо химии. Химическая когерентность – свойство химических систем пребывать в осциллирующих, периодических режимах реакций. Здесь хаотическое, статистически независимое поведение реагирующих молекул превращается в упорядоченное, возникает синхронность организованных ансамблей молекул.
Энергично развивается химия систем, находящихся в экстремальных условиях.
Горизонты химии раздвинулись с освоением лазеров.
Еще одна «новая земля» в химической науке – спиновая химия. Она основана на фундаментальном и универсальном принципе сохранения спина в химических реакциях. Эта область уникальна: в химию вовлекаются магнитные взаимодействия.
Новый, совсем недавний, крупномасштабный прорыв в химии – открытие российскими учеными туннельной спектроскопии (и, конечно, химии) одиночных, индивидуальных молекул.
* * *
В небольшой статье невозможно показать всю гигантскую панораму химии; наша цель – раскрыть логику и красоту химии в надежде, что у непрофессионалов прибавится уважения к этой яркой науке, а профессионалы увидят между строками этой статьи гораздо больше и прочтут недосказанное.