Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Несмотря на разговор о пиках и ущельях, мы забрели далеко от афганских гор. Я сделал это для того, чтобы вы смогли оценить истинную красоту ляпис-лазури (а вернее, минерала лазурита), великолепного синего компонента лазуритовых руд, потому что он бесконечно более тонкий и сложный, чем король драгоценных камней алмаз. Еще до Первой мировой войны отец и сын Брэгг смогли определить положение атомов углерода в алмазе при помощи фотопленки, карандаша и бумаги, но кристаллографы до сих пор бьются над определением структуры лазурита.

Рисунок 17. Вверху: максимумы и минимумы волн, которые совмещаются со сдвигом ровно на половину длины волны (серая линия), гасят друг друга и дают нулевой сигнал. Внизу: совпадающие по фазе совмещения усиливаются и дают мощный сигнал (серая волна).

Лазурит – сложный минерал, потому что его химическая формула изменчива. В отличие от алмаза – просто «С» – мы обычно записываем лазурит как Na₆Ca₂(Al₆Si₆O₂₄)[(SO₄), S, Cl, (OH)]₂, где точное количество последних четырех составляющих варьируется в зависимости от типа горной породы[95]. Почему же это вещество ведет себя так странно, не подчиняясь закону постоянства состава, который мы изучали в школе? Причина – пространственная структура фрагмента Al₆Si₆O₂₄. Ее можно достаточно просто определить на основе рентгеновской дифракционной картины: вы увидите бесконечную взаимосвязанную структуру, состоящую из тетраэдров AlO₄ и SiO₄, где каждый атом кислорода служит мостиком в паре ионов металлов Al/Si[96].

Ну и что такого, скажете вы: если вы были внимательны на уроках химии, то знаете, что алмаз тоже состоит из тетраэдров. Но в нашем случае расстояния между центрами ячеек (теми центрами, что связаны с четырьмя другими узлами) гораздо больше, что приводит к возникновению огромных, похожих на клетки областей пустого пространства внутри кристалла. Там мы обнаружим довольно скучные – маленькие и бесцветные – ионы натрия и калия, которые занимают области поменьше, и столь же прозрачные, но более крупные ионы сульфата, хлорида и гидроксида, заключенные в клетки большего размера. Так что же с цветом: значит, его дает каркас из алюминия и кремния? Нет, подобный каркас служит основой для многих минералов. Возможно, ключ к разгадке можно найти в другой составляющей лазурита: в горной породе присутствуют кристаллические частички железного колчедана (пирита, или «золота дураков»). «Золото дураков» не только придает камню красоту, но также может играть важную роль в образовании настоящих пленников этих кристаллических клеток – отрицательно заряженных ионов S₃^–[97], поскольку пирит имеет формулу FeS₂ и содержит структурные единицы S-S, которые когда-то могли стать начальной точкой для появления ионов S-S–S^–.

Рисунок 18. Кристаллическая ячейка лазурита из связей Al—O и Si—O и стабилизированный в ней ион-радикал S₃^–, придающий синий цвет ляпис-лазури (три более темные сферы).

Эти необычные частицы существуют в кристалле лишь в очень малых количествах, и их требуется держать в клетке-ловушке, поскольку это радикалы. (На самом деле химия не настолько консервативна, чтобы считать, что всех радикалов нужно держать под замком; дело просто в том, что молекулу, содержащую неспаренные электроны, мы называем радикалом, и такие ребята обычно весьма активны.) Вы, вероятно, слышали о «свободных радикалах», всячески вредящих вашему организму. Это радикалы ОН; а ион S₃^– представляет собой другую разновидность подобных частиц. Он придает синий цвет лазуриту, однако, если выпустить его из клетки, он будет немедленно разрушен и цвета исчезнут. Часть секрета изготовления из лазурита хорошей краски, вероятно, заключается в том, чтобы этого не случилось по ходу дела.

Клетки и их узники – это также причина того, что подобные материалы трудно воспроизвести в лаборатории или в промышленных масштабах. Ионы S₃^— слишком велики, чтобы выбраться из неповрежденных клеток, и это также означает, что невозможно положить в клетки что-то еще. Процесс должен быть интегрированным: нестабильные ионы S₃^—должны образовываться более или менее одновременно с образованием окружающих их клеток. Химикам еще предстоит разобраться, как добиться подходящих для этого условий и создать самоцвет того же качества, что и природный.