Занимательная химия для детей и взрослых

скачать книгу бесплатно


Дерево в основном состоит из целлюлозы; длинные полимерные цепи молекул целлюлозы (каждая содержит от 2500 до 3100 элементарных звеньев) закручены в спираль, жесткость которой обеспечивают внутримолекулярные водородные связи между гидроксильными группами –ОН. Водородные связи (их еще называют водородными мостиками) скрепляют между собой также соседние цепи целлюлозных молекул. Одна водородная связь довольно слаба по сравнению с другими химическими связями. Но так как мономерных звеньев (глюкозных остатков) в молекуле целлюлозы несколько тысяч, то и водородные связи, образуемые одной длинной молекулой, также исчисляются тысячами. Именно поэтому древесина такая жесткая и прочная. Однако водородные связи, скрепляющие целлюлозные цепи, можно разрушить, например, паром при высокой температуре. Тогда древесина становится гибкой. Именно так загибают, например, концы у деревянных лыж. Особенно легко водородные связи рвутся в жидком аммиаке, который связывает атомы водорода гидроксильных групп в ионы NH

. В результате молекулы целлюлозы приобретают способность гнуться, а также скользить относительно друг друга. Такое свойство жидкого аммиака позволяет провести эффектный опыт по размягчению дерева. Для этого деревянную палочку, например от мороженого, нужно опустить на некоторое время в жидкий аммиак (он имеет температуру –33,4 °С и испаряется из обычного стакана довольно медленно; конечно, опыт можно проводить только в вытяжном шкафу). После того как палочка как следует пропитается жидким аммиаком, ее можно гнуть как угодно в любом направлении и даже свернуть в спираль – как будто она сделана не из дерева, а из мягкого свинца.

Эти спички и палочки от мороженого можно было согнуть не сломав, когда они были погружены в жидкий аммиак

Если теперь палочку вынуть из жидкости, то при комнатной температуре аммиак через несколько минут испарится, и водородные связи снова восстановятся – но уже в других местах. Палочка вновь станет жесткой, сохранив при этом ту форму, которую ей придали.

Экология по-американски и по-советски

Проблемы защиты окружающей среды от вредного воздействия промышленного производства волновали людей задолго до того, как появилась наука экология. Решались эти проблемы по-разному. Но то, что случилось в середине XIX века в США, видимо, не имеет аналогов. В 1859 г. профессор химии Гарвардского университета Эбен Хорсфорд и текстильный промышленник из города Провиденса (штат Род-Айленд) Джордж Уилсон организовали в Сиконке (штат Массачусетс) химическое предприятие. Среди его основных продуктов были удобрения и изобретенный Хорсфордом пекарский порошок, который взрыхлял тесто при выпечке. С самого начала у нового производства возникли проблемы с законодательством штата, регулировавшим допустимые пределы загрязнения воздуха. Местные жители предъявили владельцам судебный иск, мотивируя его значительными выбросами вредных веществ в атмосферу. В 1861 г. владельцы химического завода решили эту проблему самым необычным способом: им удалось добиться изменения границы между двумя соседними штатами – Массачусетсом и Род-Айлендом! При этом западная часть Сиконка, где располагался завод, отошла к Род-Айленду; в результате этот штат приобрел очень важное для своей экономики предприятие. В то же время законы Род-Айленда были не такими строгими, как в Массачусетсе, так что трубы завода могли теперь дымить на вполне законном основании…

Другая, не менее курьезная история произошла в США в городе Филадельфии, через который протекают реки Делавэр и Скулкилл. Последняя давала городу примерно пятую часть питьевой воды. На берегу этой реки находились различные промышленные предприятия, которые сливали в воду свои отходы. В результате запах и вкус питьевой воды, взятой из реки, даже после хлорирования были настолько отвратительными, что было решено попробовать, не поможет ли тут озонирование воды. Озон, который буквально «сжигает» большинство органических соединений, превращая их в безвредные углекислый газ и воду, сделал свое дело: вода стала пригодной для питья.

Но вот парадокс: уже после обработки озоном воду продолжали хлорировать! Делали это не по глупости и не для перестраховки, а лишь для того, чтобы не нарушать закон. По закону же питьевая вода должна была попадать к потребителю после обязательного хлорирования. Никакой замены хлору законом не предусматривалось. Ничего плохого, кстати, хлорирование не давало: озон уже разрушил органические примеси в воде, а добавленный хлор со временем бесследно улетучивался и не приводил к появлению какого-либо запаха или привкуса. Конец этой истории тоже был «антинаучным». Когда под нажимом властей владельцы различных предприятий вынуждены были прекратить сброс в Скулкилл неочищенных промышленных отходов, станция озонирования была закрыта. Хотя логичнее было бы закрыть станцию хлорирования: как показала практика, озон значительно лучше хлора очищает питьевую воду. В настоящее время озонирование водопроводной воды применяется во все более широких масштабах. Ограничивает применение озона лишь более высокая его стоимость по сравнению с хлором.

А вот какая история произошла в нашей стране. В конце ХХ века ученые забили тревогу: в земной атмосфере появились и начали расти «дыры» в озоновом слое. Причины этого явления полностью пока не известны. Предполагают, что помимо природных факторов, влияющих на озоновый слой, появились и искусственные. Хорошо известный пример – фреоны. Фреоны – это углеводороды, в которых атомы водорода (некоторые или все) замещены атомами фтора и хлора. Фреоны не ядовиты, многие из них – летучие жидкости или легко сжижающиеся газы. Потому фреоны широко использовали в холодильной технике и для заполнения аэрозольных баллончиков, которые во всем мире выпускаются в огромном количестве: в них заправляют дезодоранты, лаки для волос, освежители воздуха, средства для мытья окон, полировки мебели и т. д. и т. п. Понятно, что в конечном счете все эти фреоны попадают в воздух; так, только в 1973 г. в атмосферу было выпущено 230 тысяч тонн фреонов! Попавшие в воздух фреоны медленно, в течение многих лет и даже десятилетий, поднимаются с потоками воздуха все выше и выше, достигая наконец озонового слоя. Тут-то они и проявляют свое коварное действие: разлагаясь под действием солнечной радиации, фреоны высвобождают атомы хлора, которые начинают каталитически разлагать озон, что и приводит к снижению его концентрации. Пока не известно в точности, в какой степени именно фреоны повинны в «озоновых дырах», и тем не менее уже давно пытаются принимать меры, причем самые энергичные. Например, с 15 декабря 1978 г. в США было запрещено производство практически всех аэрозольных баллончиков, содержащих фреоны.

Казалось бы, надо делать все возможное, чтобы снизить выбросы фреонов в атмосферу. Но вот какая история произошла в конце 1980-х гг. в Особом конструкторском бюро одного московского института. Там в лаборатории использовали газообразный фреон. Его хранили в стальных баллонах под большим давлением. Регулярно, раз в два месяца, эти баллоны заменяли новыми. Как это было принято, для получения с завода шести новых, полностью заполненных баллонов с фреоном, необходимо было сдать шесть пустых. Однако случалось так, что к моменту замены (это могло случиться, например, после летних отпусков) был использован не весь фреон. Казалось бы, что за беда – сдай часть баллонов или перенеси обмен еще на два месяца. Но в условиях плановой социалистической экономики это грозило серьезными последствиями: раз весь фреон за два месяца не использовали, значит, он в таких количествах предприятию не нужен! Многим советским снабженцам эта ситуация была хорошо знакома: если к сроку не использовать выделенные фонды (деньги, реактивы, оборудование и т. п.), то в следующий раз можно их получить в сильно урезанном количестве или даже не получить вовсе! Так плановой экономике работать проще. Отсюда – огромные запасы сверхнормативного оборудования, материалов, реактивов на советских предприятиях: они появлялись по принципу «бери, когда дают» – на всякий случай, про запас, и чем больше, тем лучше.

Руководитель лаборатории, чтобы выйти из положения, отдал распоряжение рабочим выкатить баллоны во двор и открыть вентили. И целый день сотрудники слышали легкое шипение улетающего в атмосферу фреона. Что поделать – производственная необходимость! Успокаивали себя тем, что шесть баллонов сжатого фреона – не так много по сравнению с целой атмосферой. Как тут было не вспомнить чеховский рассказ «Злоумышленник», герой которого откручивал гайки с железнодорожного полотна.

Случались и значительно более печальные (и опасные) примеры вопиющей экологической безграмотности. Рабочий одного электролампового завода вынес с территории довольно много ртути; сделал он это в несколько приемов, так как ведро, заполненное до краев ртутью, весит около 150 кг! Причин для кражи было две. Во-первых, больше с завода вынести было нечего. Во-вторых, ртуть стоит дорого (в десятки раз дороже меди), так что была надежда выгодно ее продать. Однако охотников купить несколько десятков килограммов отравы не нашлось. И тогда какой-то «знаток» посоветовал рабочему использовать тяжелую жидкость на своем приусадебном участке – в то время он как раз устанавливал столбы для ограды. Ему сказали, что если выкопать в земле небольшую ямку, а потом залить в нее ртуть, то она своей тяжестью «продавит землю». Понятно, что земля никак не продавилась, но в результате вся округа была отравлена ртутью, вероятно на много веков вперед: ртуть в земле очень медленно превращается в растворимые соединения, а подземные воды разносят их на большие расстояния. Хуже того: металлическая ртуть может превращаться в земле в органические соединения, которые значительно более токсичны. Об этой опасности следует рассказать чуть подробнее. Чрезвычайно ядовитые производные ртути образуются в результате так называемого биологического метилирования. Этот процесс происходит под действием микроорганизмов и характерен не только для ртути, но и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые широко используются на многих производствах, со сточными водами могут попасть на дно водоемов. Обитающие там микроорганизмы превращают их в диметилртуть (CH

)

Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH

. Оба вещества поглощаются водными организмами и попадают в пищевую цепочку: сначала они накапливаются в растениях и мельчайших организмах, затем – в рыбах. Метилированная ртуть очень медленно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб. Поэтому концентрация ртути в биологической цепочке непрерывно увеличивается, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути может оказаться в тысячи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена. Именно этим объясняется так называемая болезнь Минамата – по названию приморского города в Японии, в котором за несколько лет от отравления ртутью умерли 50 человек и многие родившиеся дети имели врожденные уродства. Опасность оказалась так велика, что в некоторых водоемах пришлось приостановить лов рыбы – настолько она оказалась «нашпигованной» ртутью. Страдают от поедания отравленной рыбы не только люди, но и рыбы, тюлени.

Химик находит выход

С еще одной, причем довольно неожиданной, экологической проблемой столкнулся сотрудник Центра научного образования Кейптаунского университета (ЮАР) П. Э. Спаро. Одна из задач Центра состоит в помощи местным школам, которым требуется избавиться от старых химикатов. Такая работа может быть связано с серьезной опасностью; например, в некоторых давно хранящихся реактивах (диэтиловом эфире и др.) могут накапливаться взрывчатые вещества. Непросто утилизовать также запасы калия и других очень активных щелочных металлов. В данном случае опасность была связана не со взрывом, а с отравлением, но Спаро нашел остроумный выход из положения. Что же произошло?

Сотрудники Центра были несколько ошеломлены, когда получили для утилизации наполовину заполненную алюминиевую канистру с жидким сернистым газом. Как следовало из этикетки, она и содержала первоначально 500 г вещества. Ее металлическая завинчивающаяся крышка сильно проржавела и «примерзла» к канистре намертво. Было такое ощущение, что им подсунули для обезвреживания настоящую бомбу! Действительно, при атмосферном давлении SO

кипит при температуре минус 10 °С. Но в Южной Африке жарко (Кейптаун находится примерно на широте Багдада, только в Южном полушарии), поэтому давление в канистре вполне могло превысить 5 атм (такое давление над жидким SO

достигается при 32 °С). Начали думать, что можно предпринять. Предложения были самые интересные. Например, поставить канистру посреди футбольного поля и метким выстрелом пробить в ней дыру. Но ЮАР – не американский Дикий Запад середины XIX века, да и пускать тяжелый ядовитый газ в городскую атмосферу тоже не годится. Предельно допустимая концентрация SO

в атмосферном воздухе составляет 0,5 мг/м

, следовательно, содержимое канистры могло отравить около миллиона кубометров воздуха!

И тут Спаро вспомнил, что сернистый газ хорошо растворяется в воде (115 г в литре воды при 20 °С), образуя сернистую кислоту. В то же время воду в бассейнах (домашние бассейны в Кейптауне – не очень большая редкость) предписано обрабатывать для дезинфекции порошком гипохлорита кальция, который содержит так называемый активный хлор (гипохлорит кальция – один из компонентов хлорной извести). Чтобы вещество медленно выделяло хлор и было активным, необходимо, чтобы вода была чуть подкислена, то есть нужно поддерживать в ней достаточно низкий уровень рН. В кислой среде гипохлорит разлагается: Ca(OCl)

+ 2H

= Ca

+ Cl

O + H

O. Оксид Cl

O, подобно хлору, обладает бактерицидным действием.

Итак, автор принес канистру домой, надел купальный костюм и маску и, держа в одной руке канистру, а в другой – тяжелый гаечный ключ, прыгнул в свой бассейн. Находясь под водой, он безуспешно пытался отвернуть пробку. При этом, как он вспоминает, за ним наблюдали двое: жена – очень волнуясь, а собака – с искренним интересом.

Отвернуть пробку так и не удалось. Но оказалось, что пустого места в канистре достаточно, чтобы она плавала на воде, и тут же возникла новая идея. Сернистый газ замерзает при температуре ниже –75,5 °С. Почему бы не заморозить канистру (для этого можно использовать жидкий азот, температура которого равна –196 °С), продырявить ее и бросить в воду – тогда жидкий сернистый газ, нагреваясь и испаряясь, будет постепенно растворяться в воде бассейна. Чтобы снизить расход жидкого азота, Спаро поставил канистру в домашний морозильник, температура в котором была около –20 °С. (При этом опасения жены несколько изменили свою направленность – она стала волноваться уже за сохранность холодильника и продуктов в нем.)

На следующий день автор принес из университета сосуд Дьюара с двумя литрами жидкого азота. Этого количества оказалось достаточно, чтобы за 5 минут канистра охладилась значительно ниже, чем в морозильнике, а ее содержимое затвердело. Попросив жену отойти подальше (собака на эту просьбу не отреагировала) и сделав глубокий вдох, отважный химик, вооружившись большой отверткой, погрузил канистру в воду и пробил в ней дыру. Его мысли при этом вертелись вокруг вопроса, насколько обоснованны законы физической химии; оказывается, даже профессиональные ученые в определенных ситуациях могут в этом сомневаться… К счастью, законы сработали отменно: из отверстия не вышло ни миллиграмма замороженного ядовитого газа. Действительно, уже при температуре плавления (–75,5 °С) давление паров SO

снижается в 80 раз по сравнению с атмосферным, а при –100 °С – в тысячу раз и составляет менее 1 мм рт. ст. Так что с понижением давления не ядовитый газ должен был выходить наружу, а наоборот – в пробитое отверстие должен был сразу зайти воздух (а в условиях «эксперимента» – вода). Удивительно другое: как канистра выдержала такое снижение давления в ней и не сплющилась в процессе охлаждения! Возможно, в ней, кроме жидкого SO

и его паров, был также воздух.

Некоторое время холодная канистра не представляла опасности. Так что можно было спокойно привязать к ней кирпич и бросить в бассейн. Кирпич лег на дно, а канистра висела между дном и поверхностью воды. Вскоре ее содержимое достаточно разогрелось, давление паров SO

превысило атмосферное (плюс небольшое давление столба воды), и из отверстия начали выделяться пузырьки газа. В чистой воде было видно, что, поднимаясь, они успевали растворяться, пройдя всего четверть метра, и потому не достигали поверхности. Через 10 минут весь сернистый газ оказался растворенным в воде; никаких следов его запаха в воздухе не чувствовалось, а на опущенном в воду рН-индикаторе надпись «Добавить кислоту» сменилась на «Нормально». Так химику удалось справиться с задачей, и при этом получить моральное удовлетворение от применения на практике своих знаний. Все это он описал в заметке «Грандиозный эксперимент с канистрой, или Как обезвредить бомбу и перестать беспокоиться» – очевидная ассоциация с книгой Дейла Карнеги. Статья была опубликована в «Журнале химического образования», издающемся Американским химическим обществом – в назидание другим химикам.

Интересно подсчитать концентрацию сернистой кислоты в воде. Домашние бассейны обычно невелики. Пусть его площадь составляет 25 м

, а глубина 2 м, тогда объем воды равен 50 м

. Если в канистре было 320 г SO

(5 моль), то концентрация его в воде составила бы всего 10

моль/л (6,4 мг/л). Сернистая кислота относится к кислотам средней силы. При таком разбавлении ее диссоциация по первой ступени H

SO

= H

+ HSO

проходит практически полностью. Поэтому концентрация ионов водорода в растворе также будет составлять 10

моль/л, что дает слабокислую среду с рН = 4.

«Консервированные кристаллы»

В 1989 г. химик из Ленинграда (ныне Петербург) Н. А. Петрова, открыв консервы с дальневосточной треской, обнаружила на рыбьих костях странные комочки. Под сильной лупой эти комочки оказались твердыми прозрачными кристалликами. Испытания показали, что это минерал струвит – двойной фосфат магния и аммония, содержащий кристаллизационную воду: NH

MgPO

· 6H

O. Минерал был назван в честь русского дипломата Генриха Струве (1772–1851).

В природе струвит встречается редко, но вещество этого состава хорошо известно химикам-аналитикам. Осаждение двойного фосфата аммония – магния используют как качественную реакцию на фосфат-анионы или на катионы магния. Реакцию проводят в слабощелочной среде, при которой фосфаты находятся в растворе в виде гидрофосфата: MgCl

+ Na

HPO

+ NH

OH + 5H

O = = NH

MgPO

 · 6H

O + 2NaCl. Получается белый мелкокристаллический осадок, который практически нерастворим в воде, но растворяется в разбавленных кислотах. Образование осадка может происходить не сразу; чтобы ускорить кристаллизацию, стенку пробирки надо потереть стеклянной палочкой. Этот старинный прием создает на стенках центры кристаллизации, и дальше выпадение осадка идет легко. При сильном увеличении в осадке видны кристаллы характерной формы. С помощью этой простой реакции можно обнаружить фосфат-анионы в удобрениях и даже в напитках типа «Пепси» или «Фанта» (в небольших концентрациях в них добавляют свободную фосфорную кислоту). Фосфат магния – аммония имеет довольно редкую особенность: его растворимость в воде уменьшается при повышении температуры – от 0,52 г/л при 20 °С до 0,19 г/л при 80 °С. Как же появился струвит в консервах? То, что в рыбьих костях много фосфора, общеизвестно. Богатую фосфором рыбную муку используют как пищевую добавку к корму сельскохозяйственных животных и птиц. Ну а магний в небольших количествах мог попасть в консервы с морской водой. Вот при длительном хранении и выросли в банке мелкие кристаллики. Кстати, для человека они совершенно безвредны.

Кристаллы струвита под микроскопом

Не исключено, однако, что кристаллы фосфата выросли на костях еще при жизни рыбы. Ведь кристаллы струвита встречаются при мочекаменной болезни у собак и кошек, а также у людей – в почках и в мочевом пузыре. У рыб мочевого пузыря нет, так что если отложение струвита на костях произошло еще в живой рыбе, то это можно рассматривать как некий аналог подагры – болезни, которую в народе называют отложением солей.

В чем растворяется золото?

Самородное золото, вероятно, было первым металлом, с которым познакомился человек. С древнейших времен блеск золота сопоставлялся с блеском солнца, на латыни – sol; отсюда и русское название этого металла. Английское gold, немецкое Gold, голландское goud, шведское и датское guld (отсюда, кстати, гульдены) в европейских языках связаны с индоевропейским корнем ghel и даже с греческим богом солнца Гелиосом. Латинское название золота aurum означает «желтое» и родственно с Авророй (Aurora) – утренней зарей. Яркий желтый цвет ассоциируется с золотом и в поэтических произведениях: «В багрец и золото одетые леса…» (А. С. Пушкин). У алхимиков золото считалось царем металлов, его символом было лучезарное солнце, а символом серебра – луна (в этой связи интересно, что отношение цены золота и серебра в Древнем Египте соответствовало отношению солнечного года к лунному месяцу). Когда алхимики открыли царскую водку – смесь соляной и азотной кислот, они с удивлением обнаружили, что она растворяет золото! Так появился символический средневековый рисунок: лев (царская водка), пожирающий солнце (золото). В современных обозначениях процесс растворения золота в царской водке выглядит несколько иначе: Au + 4HCl + HNO

= HAuCl