43].
К счастью, возрождающемуся человечеству не нужно будет сразу добывать алюминий из руды. Этот металл настолько устойчив к коррозии, что столетиями не подвергается порче, и температура плавления у него относительно невелика (660 °C), что позволяет его переплавлять в примитивной печи, которая описана на с. 140–141.
Применение электролиза позволит синтезировать ряд важных для существования цивилизации веществ, пропустив применявшиеся на протяжении столетий менее эффективные методы их получения. К тому же электролиз поможет вам и в научном познании мира: он разлагает вещества на чистые строительные блоки — химические элементы. Например, в 1800 г. ученые с помощью электролиза убедительно доказали, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. А за восемь последующих лет методом электролиза выделили в чистом виде еще семь элементов: калий, натрий, кальций, бор, барий, стронций и магний. Первые три из этого списка были открыты при электролизе распространенных химических соединений, не раз упомянутых в этой книге, — поташа, каустической соды и негашеной извести. Но электролиз не только прекрасный способ изолировать ранее неизвестные химические элементы: этот процесс показывает, что самые связи, удерживающие вместе атомы в химических веществах, имеют электромагнитную природу.
Если изучать взаимоотношения разных химических элементов, то, как они ведут себя в тех или иных соединениях, каковы их «характеры», то обнаруживается одна глубокая и поразительная истина: элементы — не одиночки, они объединяются в естественные группы, отличающиеся общими свойствами, своего рода семьи. Открытие этой структуры упорядочило химический космос так же, как осознание морфологических сходств и, соответственно, родственных связей в царстве живых организмов упорядочило космос биологический. Например, калий и натрий — металлы с высочайшей химической активностью, образующие щелочные соединения, такие как едкий натр и поташ, из которых путем электролиза и выделяют чистые элементы, а хлор, бром и йод реагируют с металлами, образуя соли. Если вы возьметесь раскладывать элементы в каком-то порядке, формируя столбцы по сходству свойств, обнаружится один и тот же повторяющийся рисунок и у вас получится периодическая таблица элементов.
Нынешняя периодическая таблица элементов — великий памятник научным достижениям человека, не менее впечатляющий, чем египетские пирамиды или любое из чудес света. Это не просто полный список элементов, когда-либо открытых химиками, это способ организации знаний, позволяющий предсказать многое о тех веществах, которые еще не открыты.
Так, в 1869 г., когда русский химик Дмитрий Менделеев составил свою периодическую таблицу из 60 с небольшим известных на тот момент элементов, он обнаружил в ее матрице пустые клетки — места, куда могли бы встать несуществующие вещества. Но замечательна система Менделеева тем, что она позволила ученому точно предсказать свойства этих гипотетических веществ, например экаалюминия, пропущенной клетки сразу под алюминием. Хотя в материальном виде его никто никогда не видел и не осязал, только на основании его положения в таблице можно было описать экаалюминий как блестящий пластичный металл с определенной плотностью, твердый при комнатной температуре, но плавящийся при необычно низком для металлов градусе. Несколько лет спустя французский химик обнаружил в природе новое вещество и назвал его галлием, в честь старинного названия Франции. Вскоре стало очевидно, что это и есть отсутствующий в таблице экаалюминий, предсказанный Менделеевым, и что прогноз о температуре плавления был точным: галлий переходит из твердого состояния в жидкое при 30 °C — этот металл буквально плавится в руках[44].
Эта простая истина — о скрытых закономерностях в мире элементов — поможет вам более систематически разбираться в строении материи и искать возможности лучшего применения свойств природных материалов. А теперь давайте попробуем расширить полученные в главах 5 и 6 знания и рассмотрим технологию, требующую чуть более сложного химического производства, — фотографию.
Фотография
Фотография — удивительная технология, она позволяет использовать свет для записи образов, выхватить момент жизни и сохранить его навечно. Сделанный во время отпуска фотоснимок вызывает живые воспоминания даже спустя десятилетия и описывает мир с несравнимо большей точностью, чем наша память. Но помимо снимков с дружеских пирушек, семейных портретов и головокружительных пейзажей последние два века фотография дарит нам бесценную возможность увидеть то, чего не видит человеческий глаз. Она обеспечила важнейшей технологией многие области знания и во многом поможет ускорить постапокалиптическое возрождение. Фотография позволяет документировать события и процессы, неявные для нас, слишком быстро или слишком медленно разворачивающиеся или протекающие в недоступном нашему зрению волновом диапазоне. Например, фотография с долгой выдержкой запечатлевает слабые мерцания света с намного более протяженным периодом, чем может уловить человеческий глаз, что позволяет астрономам изучать многочисленные тусклые звезды и распознавать в бледных кляксах на снимках космоса галактики и туманности со сложной структурой[45]. Фотографические эмульсии также чувствительны к рентгеновским лучам, и это дает возможность делать медицинские снимки для диагностики внутренних повреждений.
Химическая основа фотографии довольно проста: определенные соединения серебра темнеют на солнце, так что с их помощью можно создавать черно-белые изображения. Фокус в том, чтобы найти такую растворимую форму серебра, которую можно нанести ровной тонкой пленкой, а потом превратить ее в нерастворимую соль, плотно пристающую к поверхности носителя и несмываемую.
Для начала смочите лист бумаги яичным белком (альбумином), содержащим растворы солей, и дайте высохнуть. Затем растворите в азотной кислоте, которая окислит металл до растворимого нитрата, немного серебра[46] и нанесите раствор на подготовленный лист. В реакцию вступит хлорид натрия, и продуктом будет хлорид серебра, вещество одновременно светочувствительное и нерастворимое, а яичный альбумин не даст фотоэмульсии впитаться в волокна бумаги. Одна серебряная чайная ложечка содержит количество чистого серебра, которого хватит более чем на 1500 фотографий.
Когда лучи света попадают на чувствительный слой фотопластинки, они сообщают ему энергию, достаточную для того, чтобы высвободить электроны в зернах этого слоя и тем самым восстановить из хлорида металлическое серебро. Массивное серебро, например в виде отполированного блюда, ярко блестит, но точки крошечных металлических кристаллов, наоборот, рассеивают свет и потому выглядят темными. В то же время те области фотобумаги, на которые свет не упал, сохраняют белый цвет бумажной основы. После экспозиции на фотобумагу главное — остановить фотохимическую реакцию и закрепить пойманные тени. Тиосульфат натрия — вещество, поныне применяемое в фотографии для фиксации изображения и легко приготовляемое. Пропустите через раствор соды или каустической соды сернистый газ (с. 129), затем вскипятите раствор с порошком серы, и после высыхания вы получите кристаллический закрепитель.
Проецируя изображение через линзу на фотобумагу на задней стенке светонепроницаемой камеры, мы получаем фотоаппарат, но, если не усовершенствовать первичный химический процесс, фотография, даже сделанная при ярком солнце, будет проявляться несколько часов. К счастью, мы можем несравнимо повысить чувствительность матрицы с помощью проявителя — химического состава, ускоряющего трансформацию частично засвеченных зерен и окончательно восстанавливающего их до металлического серебра. Для этого хорошо подходит железный купорос, который нетрудно получить, растворив железо в серной кислоте. Когда возрождающееся человечество продвинется в химии, можно будет заменить хлористую соль ее атомарной родней — йодом или бромом, с ними фотоэмульсия получается гораздо более чувствительной.
Но если зерна фотоэмульсии темнеют на свету, а участки, на которые он не упал, остаются белыми, выходит, что на готовом фотоснимке свет и тень поменяются местами: это будет негатив. Не существует такой быстрой химической реакции, которая бы давала устойчивое позитивное изображение, нет такого черного вещества, которое моментально светлело бы под воздействием света, — так что нужно что-то решать с негативом. Концептуальный прорыв состоялся, когда пришла догадка: если негатив создавать в камере на прозрачном носителе, тогда потом останется только посветить сквозь него на фоточувствительную бумагу, чтобы получить изображение, на котором света и тени вернутся на свои места. При мокром коллодионном процессе пироксилин растворяют в смеси эфира и спирта (все эти вещества уже встречались нам на страницах этой книги) и получают вязкую прозрачную жидкость. Лучше всего покрыть фотоэмульсией стеклянную пластину, спроецировать на нее изображение и проявить, пока жидкость не застыла в твердую водоотталкивающую пленку. Если же вместо пироксилинового раствора использовать желатин (вываренный из костей, как о том рассказывается в главе 5), то можно сделать еще более светочувствительную пластину, притом сухую и позволяющую существенно увеличить время выдержки.
Фотография — удивительный пример новой технологии, возникшей из соединения нескольких уже существовавших методов и весьма незамысловатых материалов и веществ. Сложите горн, вымазанный огнеупорной глиной, и выплавите из песка или кварца с добавлением натриевого флюса стекло. Из одного слитка выточите фокусирующую линзу, другой расплющите в прямоугольную пластину для негатива, а затем, использовав ваши навыки в изготовлении бумаги, изготовьте листы фотобумаги. В фотопроцессах используются те же кислоты и растворители, к которым мы в этой кни