Золотой шар Менделеева

В начале 1990‑х гг. на киностудии Центрнаучфильм снимался научно‑популярный фильм о золоте. Автор сценария и оператор Е. Г. Покровский в поиске интересных сюжетов побывал в Алмазном фонде в Московском Кремле. Там его внимание привлек находящийся в витрине шар из золота. Сотрудник фонда сказал, что шар этот весит два пуда и сделан он по заказу Д. И. Менделеева. Однако с какой целью изготовлен шар, он сказать не мог. Пришлось кинооператору обращаться за помощью к химику, который провел небольшое расследование. И вот что выяснилось.

Положением Государственного совета Российской империи 8 июня 1863 г. в Петербурге было учреждено Депо образцовых мер и весов с целью «сохранения в государстве единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов». К обязанностям депо относилось: хранение основных образцов (прототипов) единиц веса и меры, принятых в России, а также копий образцов иностранных единиц веса и меры; изготовление точных копий с основных образцов для разных областей и губерний и их периодическая проверка; испытание и выверка различных измерительных приборов; составление сравнительных таблиц русских и иностранных мер и установление наибольших погрешностей, допускаемых в образцовых мерах.

В 1892 г. министр финансов С. Ю. Витте предложил Д. И. Менделееву занять пост ученого хранителя мер и весов в депо. Менделеев принял предложение и энергично взялся за новое для него дело. Вскоре депо было преобразовано в Главную палату мер и весов; Менделеев оставался ее управляющим в течение последних 15 лет своей жизни. За эти годы им были выполнены важные исследования в области метрологии – науки, задачей которой являются создание эталонов физических единиц и разработка методик точных измерений. Под руководством Менделеева были изготовлены российские эталоны метра, литра, килограмма, а также старых мер – фунта, аршина и др. Целью Менделеева был переход страны на метрическую систему мер, что было осуществлено лишь в 1918 г.

Для проведения в палате точных измерений ускорения свободного падения на широте Петербурга необходимо было с высокой точностью измерить период колебаний маятника известной длины. Длина маятника l, ускорение силы тяжести g и период колебаний Т связаны соотношением Т = 2π √ l/g. Это соотношение точно выполняется для идеального (математического) маятника, у которого размах колебаний небольшой, нить можно считать невесомой, груз – точечным, а сопротивлением воздуха можно пренебречь. Чтобы реальный маятник был близок к идеальному, он должен быть изготовлен из тяжелого материала и подвешен на длинной тонкой нити. Так, знаменитый маятник, который французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) подвесил в 1851 г. под куполом огромного зала парижского пантеона, представлял собой латунный шар массой 28 кг, а проволока, на которой он висел, имела длину 67 м. Многочисленные зрители видели, что при раскачивании маятника он совершал медленные (с периодом около 17 секунд) колебания. Удивительно было то, что плоскость его колебаний сама собой менялась со временем: при каждом новом размахе острие на шаре прочерчивало на песке, насыпанном под маятником, новую полоску.

Еще более впечатляющим по размерам был маятник, установленный в марте 1931 г. в Ленинграде в здании Исаакиевского собора, где в то время находился Государственный антирелигиозный музей. Когда вблизи крайней точки размаха маятника ставили сбоку спичечный коробок, маятник уже после нескольких качаний сбивал его. Так наглядно демонстрировалось вращение Земли: пол с коробком поворачивался вместе с земным шаром, а плоскость колебания маятника оставалась постоянной. Легко рассчитать, что если бы маятник был на полюсе, то при размахе его колебаний 12 м крайняя точка размаха за сутки описала бы окружность длиной примерно 36 м; при этом ее смещение за 1 час составляло бы 36/24 = 1,5 м, а за минуту – 150/60 = 2,5 см. Так что коробок, поставленный даже в 10 см от острия в его крайней точке, был бы сбит уже через 4 минуты. Петербург значительно ближе к полюсу, чем Париж (они расположены на широте 60 и 49 градусов соответственно), а маятник был длиннее, чем у Фуко, поэтому кажущееся «отклонение» плоскости колебаний маятника в Исаакиевском соборе проявлялось более отчетливо.

Менделеев решил в качестве груза для маятника использовать золото – металл с очень высокой плотностью (19,3 г/см3). По заказу Менделеева был изготовлен массивный полированный (для уменьшения сопротивления воздуха) золотой шар. При массе 2 пуда (32 кг) его радиус был равен всего 7,3 см. Поскольку в здании палаты не было высоких залов, Менделеев, чтобы удлинить нить подвеса, приказал пробить перекрытия на нескольких этажах да еще выкопать яму в подвале. Если с помощью секундомера определить время 100 колебаний такого маятника с точностью 0,2 с, то время одного колебания будет определено с точностью 0,002 с, и если одно колебание (при длине подвеса 10 м) длится около 6 с, то точность определения периода составит 0,002/6 или 0,033 %. С такой же точностью (около 3 мм) можно измерить и длину нити, и тогда можно с высокой точностью измерить ускорение силы тяжести g в данной географической точке.

Сильно ли меняется g в разных точках земного шара? Максимальное значение (9,83 м/с2) – на полюсах, минимальное (9,78 м/с2) – на экваторе. Однако даже в одной точке значение g может немного изменяться со временем. Это связано с различными процессами, происходящими в недрах земного шара. Изменения настолько малы, что для их надежного определения необходима очень чувствительная аппаратура – маятником Фуко или Менделеева тут не обойтись. Приборы с необходимой точностью (они называются баллистическими лазерными гравиметрами) появились в 70‑х гг. ХХ в., и они вызвали настоящую революцию в гравиметрии – науке о земном поле силы тяжести. Так, с их помощью было установлено, что в 1977 г. на станции Лёдово под Москвой g было равно 9,81551345 м/с2 (точность – десятимиллионная доля процента!). С 1975 г. сотрудники Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта Российской академии наук вели точные измерения ускорения силы тяжести в трех точках земного шара – в Потсдаме (Германия), под Москвой и в Новосибирске, т. е. вдоль линии протяженностью 5000 км на значительной части Евразии. Оказалось, что в течение трех лет сила тяжести монотонно снижалась во всех трех пунктах со скоростью примерно 0,0000001 м/с2 в год или 10 мкгал/год (микрогал – миллионная часть внесистемной единицы гала, названной в честь Галилео Галилея; 1 гал = 1 см/с2). Какими конкретно процессами в земных глубинах вызваны эти изменения, еще предстоит выяснить.

В этой связи интересная дискуссия произошла много лет назад во время популярной телепередачи «Что? Где? Когда?» В качестве одного из вопросов «знатокам» был предложен такой: почему караваны верблюдов в пустыне идут к пункту назначения не по прямой, а по извилистому пути? Ответ был дан довольно правдоподобный: верблюды идут по старинным маршрутам, по которым когда‑то двигались караваны от одного колодца к другому. Однако ведущий этот ответ не принял и зачитал «правильный» ответ, присланный телезрителем (тот взял его из газетной заметки): верблюды якобы выбирают путь, проходящий через точки земной поверхности с минимальным ускорением силы тяжести (g); на таком пути груз давит на верблюда с наименьшей силой и идти ему легче. Абсурдность этого утверждения ясна из того, что возможные отклонения в силе тяжести должны быть ничтожны; так, даже в отдаленных на 650 км Москве и Петербурге g = 9,8156 и 9,8192 м/с2 соответственно. Что уже говорить о нескольких десятках или сотнях метров, на которые может отойти верблюд для выбора наиболее «легкого пути»! Даже муха, севшая на спину верблюда, вероятно, оказала бы на него большее воздействие!

Впоследствии удалось выяснить, что первоисточник этой «задачи», на которую клюнули легковерные журналисты из газеты, – шуточная публикация в журнале «Природа» (1971, № 11), автор которой, геолог Х. Г. Соколин, даже не пытался ввести читателей в заблуждение и предпослал своей статье подзаголовок «Пародия». Желающие повеселиться, могут разыскать этот журнал в библиотеке и прочитать замечательную пародию на наукообразные статьи.

Глава 4 Химия и жизнь

«Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие… Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи ее приложения», – писал 250 лет назад Михаил Васильевич Ломоносов. Эти слова великого ученого не только не устарели, но и стали за прошедшие годы еще актуальнее. Трудно представить себе жизнь современного человека без достижений химии, без химических производств. Вот как образно рассказала об этом главный редактор журнала «Химия и жизнь» Любовь Николаевна Стрельникова.

«Как‑то на одной из лекций, которые я читаю студентам четвертого курса факультета журналистики, я спросила: „Зачем нам нужна нефть, вокруг которой столько шума?“. Аудитория дружно ответила: „Чтобы бензин был и машины ездили“. – „А еще зачем?“. До керосина мы добрались с трудом. С еще бо́льшим скрипом дались мазут и топливо для тепловых электростанций. „А еще зачем?“. И в аудитории повисла тишина. Тогда я пригласила самого смелого из студентов „на сцену“, и этого молодого человека мы стали с его согласия виртуально раздевать. Извлекли из карманов пластмассовую ручку, флешку, кредитные карты, очки, плеер, мобильный телефон, блистер с таблетками. Потом очередь дошла до пиджака, рубашки… Причем на пиджаке мы рассматривали этикетку, где обозначен состав материала. Далее мы обследовали аудиторию, в которой проходила лекция: на чем сидим, что на стенах и т. д. И очень быстро студентам все стало ясно. Химические волокна, пластмассы и прочие материалы, из которых сделана наша комфортная среда обитания, лекарства, парфюм… Все это сделано из продуктов переработки нефти. Мы живем в мире, который строят химики, – это стало настоящим открытием для студентов четвертого курса».

Обратим внимание на «блистер с таблетками» в кармане студента. (Кстати, blister по‑английски – «пузырь»; в авиации так называют куполообразный выступ из прозрачной пластмассы в корпусе самолета. А новое значение этого слова – полимерная прозрачная упаковка с отделениями для таблеток.) Одно из главных достижений химиков (в содружестве с учеными других специальностей) – синтез новых лекарственных средств, не существующих в природе. О том, с какими трудностями приходилось при этом сталкиваться – первый рассказ этой главы.

«Сито для лекарств»

Трудности синтеза новых лекарств во многом связаны с тем, что нет однозначной зависимости между химическим строением лекарственного средства и его биологическим действием. Иногда малейшие изменения структуры молекулы приводят к полному исчезновению или сильному изменению биологической активности. И наоборот, нередко почти одинаковая активность наблюдается у веществ совершенно разной химической природы. Например, если в молекуле морфина – сильного наркотика заменить один из атомов водорода в группе ОН на метильную группу CН3, то получится сравнительно безвредное вещество кодеин.

Морфин

Один из самых сильных канцерогенов – 3,4‑бензпирен, а имеющий тот же состав 1,2‑бензпирен (в нем чуть иначе расположены бензольные кольца) вообще не проявляет канцерогенных свойств. То же относится и к двум изомерным нафтиламинам: сравнительно безвредный α‑изомер (1‑нафтиламин) – полупродукт в синтезе красителей, гербицидов и пигментов; β‑изомер (2‑нафтиламин) – канцероген, и когда это выяснилось, его применение для синтеза красителей было запрещено. А вот пример другого рода. Природный алкалоид кокаин раньше применяли для местного обезболивания. Однако кокаин обладает вредным побочным действием, поэтому в медицинской практике его давно заменили синтетическим аналогом, который назвали новокаином (т. е. «новым кокаином»). Эти молекулы совершенно различны по своей структуре: молекула новокаина пара‑ H2NC6H4COOCH2CH2N(C2H5)2 намного проще.

Кокаин

Подобные факты были известны давно. Поэтому еще в начале ХХ века немецкий биохимик Пауль Эрлих начал искать новые биологически активные вещества методом скрининга (от англ. screening – «просеивание»). Суть метода заключается в том, что множество различных химических соединений, в том числе вновь синтезированные, подвергаются проверке на биологическую активность в надежде на то, что рано или поздно на «сите» блеснет самородок – вещество с нужными свойствами. В науке такая стратегия называется методом проб и ошибок. Сами же ученые не без ехидства называют этот способ «методом научного тыка». Эрлих в поиске эффективного лекарства от сифилиса синтезировал 605 веществ, не давших никакого результата. И лишь следующий мышьяксодержащий «препарат 606», полученный в 1909 г. и названный впоследствии сальварсаном, обладал нужными свойствами – он оказался летальным для микроорганизмов, вызывающих сифилис и ряд других сходных заболеваний. Например, одной инъекции сальварсана было достаточно, чтобы вылечить человека от похожей на сифилис тропической кожной болезни – фрамбезии. Тем не менее считают, что Эрлиху повезло: он вполне мог найти то, что искал и после проверки еще тысяч веществ!

Химическую структуру сальварсана установили позднее. Вначале ему приписывалось строение 3,3\'‑диамино‑4,4\'‑дигидроксиарсенобензола, потом было доказано, что это полимер аминогидроксифенилмышьяка. Сальварсан уже давно не используется, так как против сифилиса имеются значительно более эффективные и менее ядовитые средства, в том числе антибиотики. Однако именно с сальварсана, который использовали в течение нескольких десятилетий, началась современная эра химиотерапии. А Пауль Эрлих по праву считается ее основателем.

Метод скрининга не потерял своего значения и спустя десятилетия после работ Эрлиха. По статистике новый фармацевтический препарат получается лишь в одном случае из 25 000 – если действовать методом проб и ошибок. Но есть и иной принцип, который приводит к цели намного быстрее. Это целенаправленный синтез, который включает и накопленные за много десятилетий знания, и собственный опыт, и интуицию исследователя. Опытный специалист, взглянув на структурную формулу вещества, с высокой достоверностью скажет, какого действия следует ожидать от этого соединения – сосудорасширяющего или, скажем, обезболивающего. Известно также, какие группы и радикалы усиливают эффект, какие – ослабляют. И тем не менее введение в практику каждого нового фармакологического препарата требует огромных усилий множества исследователей, химиков, биологов, врачей, фармакологов. И на это уходят годы. Примером может служить синтезированный отечественными химиками в Институте тонкой органической химии противосудорожный препарат пуфемид – 3‑(пара ‑изопропоксифенил)сукцинамид. Первые синтезы были проведены в 1965 г., а статья «Новый отечественный противоэпилептический препарат пуфемид» появилась в «Химико‑фармацевтическом журнале» лишь в 1983 г. Потому‑то лекарства зачастую так дороги…

Пуфемид

Дата добавления: 2014-11-25