Химические иероглифы: от Дальтона до эндоэдральных фуллеренов

Cо времен Лавуазье химики не раз пытались унифицировать обозначения элементов и их соединений, сделать их более удобными и понятными для всех. В 1787 году Антуан Лавуазье, Луи де Морво, Антуан де Фуркруа и Клод Бертолле обсуждали давно назревшую реформу химической номенклатуры. Патриархи поручили подготовить соображения по новой системе записи молодым коллегам — Жану Ассенфрацу (1755—1827) и Пьеру Аде (1763—1832), а те предложили обозначать простые вещества простыми символами, а сложные — сочетанием этих символов. Например, кислород — горизонтальной линией  , азот наклонной , водород и углерод — соответственно  и , серу и фосфор — значками  и . Металлы обозначали буквами, взятыми из их латинских названий, — так, как сейчас обозначают все элементы. Но по традиции буквы помещали в кружок. Символ меди (cuprum) был похож на современный значок для авторского права: , символ свинца (plumbum) — на дорожный знак (или символ растворителя для сухой химчистки): . Символы кислот помещали в квадраты:  для соляной кислоты (acidum muriaticum),  для уксусной (acidum acetum) и т. д. Щелочи и «земли» обозначали буквами в треугольниках — вершинами вверх (поташ Р) или вниз (сода S, известь С, барит В, магнезия М). Комитет по номенклатуре при Академии наук одобрил эти обозначения, но химикам они не понравились: записывать неудобно, а печатать — тем более.

Следующий шаг предпринял основатель современной атомистической теории Джон Дальтон (1766—1844). До начала XIX века теория, согласно которой все вещества состоят из атомов, была чисто умозрительной и мало отличалась от воззрений древних. Даже ее сторонники не связывали ее с практическими задачами химии. Дальтон впервые начал рассматривать атомистическую теорию как реальность. Каждому известному элементу у него соответствовал свой сорт атомов, со своими массой и свойствами.

Как и некоторые его предшественники, Дальтон изображал символы элементов кружочками с буквами или другими значками внутри. Вот некоторые из символов Дальтона: водород , углерод , азот , кислород , фосфор , сера , натрий (и сода) , калий (и поташ) , магний , кальций (и известь) , железо , медь , цинк , серебро , платина , золото , свинец , ртуть , барий . Формула воды по Дальтону , аммиака , углекислого газа , серной кислоты . Эти формулы отражали не только качественный, но и количественный состав веществ — так, как они были известны в начале XIX века.

Дальтон, чтобы его теория была понятной и наглядной, демонстрировал на лекциях разноцветные кубики, которые символизировали атомы разных элементов. Из этих кубиков он составлял химические соединения. Не все слушатели Дальтона хорошо понимали его. Когда одного студента спросили, что такое атомы, тот ответил: «Атомы — это кубики, которые мистер Дальтон показывает на лекциях». Символы Дальтона постигла та же судьба, что и значки французских химиков: они были неудобны как для запоминания, так и для записи. Революционное, хотя и очень простое предложение внес выдающийся шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус. Он просто выкинул кружки и прочие геометрические фигуры, оставив только первую букву названия элемента на латыни. Если же эта буква у разных названий совпадает, можно вместо одной буквы взять две. Например, латинские названия известных химикам того времени элементов углерода (carboneum), кальция (calcium) и меди (cuprum) начинаются с одной буквы, поэтому символы для них С, Ca и Cu. Число же атомов в молекуле Берцелиус предложил записывать, как показатель степени в математике: SO² для сернистого газа, SO³ для серного ангидрида и так далее. И хотя в 1835 году не менее знаменитый немецкий химик Юстус Либих предложил записывать число атомов в виде подстрочных индексов, запись по Берцелиусу химики использовали еще очень долго; ее можно видеть, например, в статьях и учебниках Д.И.Менделеева.

Впервые предложение Берцелиуса было опубликовано в январе 1814 года в журнале «Анналы философии», который издавал английский химик Томас Томсон. Статья была озаглавлена «О химических знаках и способе их применения для выражения химических пропорций». Как и у Дальтона, каждый знак в формулах Берцелиуса символизировал химический элемент и каждому элементу была поставлена в соответствие его относительная атомная масса. Зная относительные атомные массы, можно было по формуле рассчитать количественный состав вещества, конечно, если формула и атомные массы были правильные. Со статьей Берцелиуса быстро ознакомились все ведущие химики, и, как он и надеялся, ярлыки с новыми формулами появились на склянках с реактивами.

Сам Берцелиус отошел от этого принципа и начал «для краткости» обозначать, например, атомы кислорода точками, атомы серы и селена — вертикальными и горизонтальными черточками, атомы теллура — крестиками; чтобы показать удвоенные атомы, он перечеркивал соответствующий символ. Так, вместо PbO у него , вместо MoSe₂ символ , вместо СаTe символ , вместо Al2O₃ перечеркнутый горизонтально символ Al с тремя точками наверху , а формула воды — это просто перечеркнутая горизонтально буква Н точкой наверху . Однако эта новация не прижилась — повезло наборщикам и верстальщикам.

Вот уже два столетия химики пользуются символами Берцелиуса. Изменений, если не считать вновь открытые элементы, немного: F вместо Fl для фтора, Be вместо Gl («глициний») для бериллия, U вместо Ur для урана — вот, пожалуй, и все. Однако существенно изменились атомные массы элементов и соответственно формулы многих веществ.

В заключение — о последнем иероглифе, сравнительно недавно попавшем в химические формулы, но известном давно. Это так называемый «commercial at» @ (сокращение от at the rate of — по цене), попросту говоря, «почтовая собака». Он используется в формулах фуллеренов, если внутри их полости находятся какие-либо атомы или молекулы. Такие соединения называются эндоэдральными. Например, формула M_m@C_n означает, что внутри фуллерена с формулой С_n находятся, как в погремушке, m инкапсулированных атомов вещества М, например Sc₃@C₈₂. Такое обозначение позволяет отличать эндоэдральный фуллерен от обычного, к поверхности которого привиты различные атомы или группы атомов.

Художник Е.Силина