Приступая к новому химическому синтезу, химик в первую очередь собирает необходимую стеклянную посуду, которую предварительно нужно тщательно вымыть и высушить. Кроме того, исходные материалы должны быть чистыми, поскольку примеси могут помешать реакции или изменить ход процесса. Однако бывали случаи, когда загрязнение приводило к значительным открытиям, демонстрируя иронию жизни.
Фтор, являясь одним из самых реакционноспособных элементов, представляет большие экспериментальные трудности в плане получения. В течение долгого времени его исключительная реакционная способность казалась практически невозможной для получения в чистом виде. Большинство материалов бурно реагируют с фтором, а некоторые элементы даже воспламеняются при контакте с ним, причем он может реагировать даже с инертными газами.
В 1886 году французский химик Ф. Муассан совершил прорыв и сообщил Парижской академии наук об успешном получении чистого фтора путем электрохимического разложения безводной фтористоводородной кислоты. Однако когда комиссия в составе М. Бертело, А. Дебре и Э. Фреми посетила его лабораторию, чтобы проверить открытие, фтор отказался вступать в реакцию, продемонстрировав свою неуловимую природу.
К их чести, комиссия не отвергла утверждение Муассана как ошибочное. Они понимали коварную природу фтора и полагали, что, возможно, была упущена какая-то экспериментальная деталь. Вскоре Муассан осознал свою ошибку. Готовясь к визиту комиссии, он по неосторожности слишком тщательно очистил фтористый водород, в результате чего он потерял свою электропроводность. Добавление небольшого количества фторида калия устранило эту проблему, позволив воспроизвести производство фтора.
Этот пример подчеркивает значение примесей в химических процессах. Полиэтилен, широко используемый полимер, производится путем полимеризации газообразного этилена. Традиционно этот процесс требовал высокого давления (1500-3000 атм) и температуры 200-260°C. Немецкий химик К. Циглер задался целью найти катализатор, который позволил бы проводить полимеризацию в более мягких условиях. Изучая полимеризацию этилена в присутствии алкилов алюминия, Циглер обнаружил, что образуются только короткоцепочечные молекулы (со степенью полимеризации не более 100 единиц).
По счастливой случайности во время одного из экспериментов студент Циглера не смог тщательно очистить автоклав, в результате чего в нем остались следы коллоидного никеля из предыдущего эксперимента по гидрированию. Удивительно, но это привело к значительным результатам. Циглер понял, что в реакционную систему необходимо добавить соединения переходных металлов наряду с алкилами алюминия. После интенсивных исследований была создана эффективная система катализаторов, состоящая из TiCl и AlCH, позволяющая проводить полимеризацию при более низком давлении (20 атм) и температуре (120°C). Этот прорыв привел к промышленному производству полиэтилена низкой плотности, за что Циглер и Дж. Натта получили Нобелевскую премию в 1963 году.
Вмешательство случая продолжало играть роль в химических открытиях. В 1975 году немецкий химик В. Каминский исследовал механизм полимеризации этилена. В ходе исследования спектральный анализ реакционной смеси, содержащей комплексное соединение титана (CHTiMe), выявил неожиданные сигналы, указывающие на присутствие молекул полиэтилена. Дальнейшее исследование показало, что исключительно высокая эффективность каталитической системы объясняется не одним только металлоценом, а присутствием метил-алюминоксана (-AlCHO-), образующегося в небольших количествах при гидролизе AlCH от воздействия влажного воздуха. Это открытие привело к широкому использованию метилалюминоксана в сочетании с металлоценом в качестве высокоактивных каталитических систем.
В 1990-х годах японский химик Хидеки Ширакава исследовал электропроводность полиацетилена - полимера, состоящего из чередующихся одинарных и двойных связей. Несмотря на высокую чистоту, полимер демонстрировал крайне низкую электропроводность даже при воздействии сверхвысокого напряжения. Желая модифицировать полимер, Ширакава намеренно ввел в него примеси, обработав его бромом. Удивительно, но это привело к увеличению электропроводности в десять миллионов раз, что привело к открытию электропроводящих полимеров. За это открытие Ширакава, а также А. Макдиармид и А. Хигер были удостоены Нобелевской премии в 2000 году.
Немецкий химик А. Байер, известный своим вкладом в химию красителей, в 1879 году, изучая структуру натурального красителя индиго, наткнулся на интригующее открытие. При окислении индиго получался изатин, который проявлял удивительное свойство. При соединении с бензолом и серной кислотой изатин давал интенсивный синий цвет, что привело к его первоначальному использованию в качестве реагента для обнаружения бензола. Однако последующий эксперимент, проведенный В. Мейером, развенчал это заблуждение. Пытаясь продемонстрировать обнаружение бензола с помощью изатина, Мейер обнаружил, что его образец бензола не имеет ожидаемой окраски. Это привело его к выводу, что угольный бензол, обычно используемый в экспериментах, содержит примесь, ответственную за цветную реакцию. Мейер выделил эту примесь и назвал ее тиофеном, соединением, тесно связанным с бензолом. С тех пор тиофен стал важным объектом изучения в органической химии.
Эти примеры служат напоминанием о важности соблюдения чистоты при проведении химических процедур. Впечатляющая химическая демонстрация включает в себя показ колбы, наполненной прозрачной жидкостью, которая мгновенно застывает при легком взбалтывании. Для этого перенасыщенный раствор кристаллогидрата сульфата натрия готовят, растворяя его в горячей воде. Даже мельчайшая пылинка или грязь на стенках колбы может спровоцировать преждевременную кристаллизацию, сделав демонстрацию неэффективной. Поэтому чистота аппарата имеет решающее значение.
Другая версия этого эксперимента демонстрирует спонтанную кристаллизацию третичного бутанола. Если охладить бутылку с третичным бутанолом на открытом воздухе в прохладную погоду, ее температура понизится до точки кристаллизации (25,5°C). Осторожное встряхивание бутылки при температуре воздуха ниже 17°C вызывает быструю кристаллизацию. Разумеется, необходимо предварительно очистить бутылку, чтобы избежать самопроизвольной кристаллизации.
В заключение следует отметить, что роль примесей и случайностей в химических открытиях нельзя недооценивать. Хотя чистота в лаборатории имеет первостепенное значение, именно в ходе интенсивных экспериментов исследователи часто натыкаются на счастливые случайности. Главное - воспользоваться этими моментами и дать точное объяснение неожиданным результатам. Химия - это область, в которой царят как скрупулезность, так и неожиданность.
