Занимательная химия для детей и взрослых

Какого цвета чернила?

Странный вопрос: самого разного! Но ведь само слово «чернила» подразумевает, что они должны быть черными! Действительно, раньше, когда не было ни шариковых ручек, ни синтетических красителей, писали в основном черными чернилами. Как их делали? На нижних сторонах дубовых листьев обычно к концу лета часто встречаются мягкие круглые орешки-галлы. Иногда их бывает так много, что листья тяжело свисают вниз. Сначала галлы зеленые, потом краснеют и выглядят как маленькие яблочки, прилипшие к листу. Самому дубу галлы ни к чему – они образуются на листьях дуба от укуса крохотной мушки – орехотворки. Самка мушки, откладывая яйца, ранит дубовый лист, вызывая образование на нем патологических наростов. Развивающиеся личинки находят внутри этих наростов надежную защиту. Когда орешки-галлы созреют, из них выводятся маленькие крылатые насекомые с четырьмя прозрачными клетчатыми крылышками. Галлы интересны тем, что содержат дубящее вещество – танин. Танин есть и в чае, и дубовой коре, но там его в несколько раз меньше. Еще в древности галлы называли чернильными орешками, потому что их использовали для получения чернил.

Орешек-галл

К соку из галлов добавляли железный купорос или другие соли железа. На воздухе полученный раствор приобретал глубокий фиолетово-черный цвет. Реакция эта очень чувствительная: окраска появляется даже с очень малым количеством железа. Если воду, в которой много железа (такая вода имеет обычно специфический запах и оставляет на белой раковине ржавые потеки), налить в стакан и выжать в него сок из нескольких галлов, вода окрасится в темный фиолетово-сиреневый цвет. Еще в XVII веке английский ученый Роберт Бойль установил, что «одна крупинка купороса, растворенная в таком количестве воды, которое в шесть тысяч раз превышает ее вес, способна дать с дубильным орешком пурпурную настойку» (по-английски purple означает и пурпурный, и багровый, и фиолетовый цвет). Поэтому с помощью чернильных орешков можно проверить, есть ли в питьевой или минеральной воде железо. Если появится окраска, значит, железо есть. И чем его больше, тем окраска темнее. Когда железа много, раствор получается черным. К полученным чернилам добавляли камедь – густой сок некоторых деревьев, например, вишни. Камедь придавала чернилам из галлов красивый блеск. Вот один из старинных рецептов приготовления черных чернил: камеди – 3 части, железного купороса – 2 части, чернильных орешков – 3 части, воды – 30 частей. Чернила эти очень устойчивы: сохранились, например, написанные ими средневековые рукописи. В XIX веке химики научились изготовлять синтетические красители, из которых можно было делать чернила всех цветов радуги – красные, зеленые, синие, фиолетовые. Но название у них осталось старинное, напоминающее о том, что первые чернила действительно были черного цвета. Чтобы чернила не стекали с пера, как чистая вода, в их состав вводили (и сейчас вводят – для тех, кто любит писать перьевыми ручками) загустители, например, глицерин или сахар, а чтобы чернила не портились при хранении, к ним добавляют дезинфицирующее средство, например фенол. В конце 40-х гг. ХХ века появилось и вскоре получило широкое распространение новое изобретение – шариковая ручка. Она очень удобна: вместо вечно пачкающихся и медленно сохнущих жидких чернил – трубочка с густой пастой; вместо клякс и неровных линий – тонкий равномерный след, который оставляет маленький стальной шарик. Сначала чернильную пасту для шариковых ручек делали на основе касторового масла. Это было не очень удобно: буквы сохли медленно и легко стиралась. Сейчас пасту делают из синтетической смолы и стойких красителей; написанное такой пастой не смазывается, быстро высыхает и не боится воды. Претерпел изменения и наконечник шариковой ручки – пишущий узел: шарик теперь часто делают из очень твердого вещества – карбида вольфрама, а наконечник изготовляют не из латуни, а из нержавеющей стали. Такой ручкой можно писать целый год.

«Ракета» из баллона

Многие газы, используемые в лаборатории, медицине, промышленности, хранят в стальных баллонах. Чтобы в баллон вошло как можно больше вещества, газы закачивают в них под очень высоким давлением. Еще лучше, если газ удается сделать жидким – тогда его в баллон войдет намного больше. Известно, что вещества в жидком состоянии занимают значительно меньший объем, чем в газообразном (при равной массе). Например, 1 кг жидкого пропана С3Н8 (при комнатной температуре он сжижается уже при небольшом давлении) занимает объем около 2 л, тогда как объем 1 кг газообразного пропана (при той же температуре и атмосферном давлении) – более 500 л. Однако некоторые газы сжижаются только при очень низких температурах, а при комнатной температуре они не превращаются в жидкость даже при самых высоких давлениях. Когда-то такие газы называли постоянными. Этих газов не так уж много; к ним относятся водород, азот, аргон, водород, гелий, кислород, неон, фтор, оксид азота, оксид углерода (угарный газ), метан и некоторые другие. Температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость, называется критической. Существование такой температуры теоретически открыл Д. И. Менделеев в 1860 г. и экспериментально исследовал ирландский ученый Томас Эндрюс в 1869 г. Например, для метана критическая температура равна минус 82,6 °С, а для пропана – плюс 96,6 °С. Так что пропан при комнатной температуре легко сжижается (при 22 °С – при повышении давления до 9 атм), а метан сделать при такой температуре жидким невозможно. Поэтому в качестве бытового баллонного газа используют не метан, а более дорогой пропан. Пропан – хорошее горючее, а главное – его можно хранить в сжиженном виде при невысоком давлении в сравнительно легких баллонах, и помещается его там намного больше, чем метана под давлением. Такие же газы, как метан, кислород, азот, приходится закачивать в толстостенные тяжелые стальные баллоны при очень высоких давлениях – примерно 15 МПа, или 150 атм (при низких давлениях газа в баллон поместится очень мало). Чтобы различить газы, баллоны окрашивают в определенный цвет: с кислородом – в голубой, с ацетиленом – в белый, с азотом – в черный, с гелием – в коричневый, с водородом – в темно-зеленый и т. д. Окрашенные в голубой цвет баллоны со сжатым кислородом можно увидеть в больницах, во время строительных и ремонтных работ.

Баллоны с газами под высоким давлением представляют определенную опасность, поэтому их хранят в строгом соответствии с правилами техники безопасности. Их нарушение может обернуться крупными неприятностями. Например, для смазывания вентилей баллонов с кислородом ни в коем случае нельзя использовать смазки на основе углеводородов: их реакция с кислородом, находящимся под высоким давлением, может привести к взрыву. Опасность представляет и водород, который используют во многих химических лабораториях. Ведь если вентиль плохо закрыть или он испортится, в помещение может попасть много водорода, который с воздухом образует взрывчатую смесь. Баллоны со сжатым водородом для безопасности прикрепляют с помощью специальных хомутов к стене или даже выносят во двор; в последнем случае газ поступает в лабораторию по тонкой металлической трубке.

Стальные баллоны со сжатым водородом

Что может произойти, если не выполнять строго меры безопасности? Вот какой случай произошел в одной лаборатории в США. Там по халатности баллон с водородом не закрепили, а просто оставили на некоторое время стоять у стены. Проходящий мимо сотрудник случайно задел баллон, и он упал. При падении вентиль на краю тяжелого баллона задел за край стола и отвалился. Из широкого отверстия со свистом стал с огромной скоростью вырываться сжатый газ. К счастью, рядом не было открытого пламени, иначе взрыв был бы неминуем. Но и без этого баллон наделал немало бед. Высокая скорость истечения водорода привела к тому, что лежащий баллон превратился в настоящую ракету. Как тяжелая торпеда, он пробил внутреннюю перегородку лаборатории, затем вторую, с огромной силой ударил во внешнюю кирпичную стену здания, пробил ее и приземлился во дворе в сотне метров от места своего старта!

Засыплем в баки алюминий?

Ограниченность запасов нефти на планете, неоднократно разражавшиеся «бензиновые кризисы» уже давно поставили перед учеными задачу найти замену традиционному топливу для автомобилей. Первые электромобили появились чуть ли не одновременно с бензиновыми, однако до сих пор подавляющее число водителей заливают в баки своих машин бензин или солярку, намного реже можно встретить автомобили, работающие на газе, а вот электромобилей, вся энергия для которых запасена в аккумуляторах, на улицах до сих пор не видно. Почему так? Все решает экономика: бензин с необыкновенной легкостью побеждает аккумуляторы по количеству энергии, запасенной на единицу массы. Теплота сгорания бензина – около 40 000 кДж/кг (примерно такая же, как у природных горючих газов), т. е. в 1 кг жидкого топлива «содержится» более 10 киловатт-часов энергии, тогда как в аккумуляторах – обычно не более 0,2 кВт-ч на 1 кг их массы; 50-кратное превосходство бензина преодолеть исключительно трудно. Тем не менее появляются все новые, иногда довольно неожиданные предложения. Например, заменить бензин… алюминием! Алюминий – очень активный металл. Если его лишить защитной оксидной пленки (это можно сделать, смочив его поверхность небольшим количеством ртути или галлия), алюминий начнет прямо на глазах окисляться, рассыпаясь в белый порошок: 2Al + 3O2 = = 2Al2O3. Если такой «активированный» алюминий внести в воду, он начнет энергично реагировать с ней, вытесняя водород: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2. В щелочной среде реакция идет с образованием растворимого алюмината NaAl(OH)4 и сопровождается выделением большого количества энергии. Если просто растворять алюминий в щелочи, энергия выделится в виде теплоты, и тогда ее трудно использовать. Но в так называемых топливных элементах можно заставить химическую реакцию вырабатывать электрический ток. Это свойство и решили использовать американские электрохимики Джон Купер и Эрвин Бэрин из Национальной лаборатории имени Лоуренса при Калифорнийском университете (США). Они создали прибор, в котором электрический ток вырабатывается в результате реакции алюминия с кислородом и водой в присутствии щелочи: 4Al + 6H2O + 4NaOH + 3O2 = 4NaAl(OH)4. Анод в топливном элементе, использующем эту реакцию, изготовлен из алюминиевой пластины с добавкой 0,05 % галлия, катод – из пористого графита с катализатором. Образующийся при работе топливного элемента алюминат натрия несложно регенерировать; при этом образуются NaOH и Al(OH)3. Гидроксид натрия возвращается в раствор, а осадок гидроксида алюминия отфильтровывается и через каждые 500–1000 км пробега извлекается из автомобиля и сдается на приемный пункт, откуда его направляют на завод для получения из него алюминия.

Результаты эксплуатации опытных батарей показали, что при движении электромобиля массой 1,3 тонны со скоростью 90 км/ч 1 кг алюминия будет израсходован через 20 км пробега (для сравнения: 1 кг бензина обычно хватает лишь на 15 км). Правда, батарея топливных элементов (их потребуется несколько десятков) займет значительно больше места, чем бензобак, зато в электромобиле не будет карбюратора, цилиндров, трансмиссии и прочих деталей, без которых не может обойтись автомобиль с двигателем внутреннего сгорания: их заменят небольшие электромоторы, расположенные прямо на ведущих колесах. Заменять алюминиевые пластины в батареях тоже придется намного реже, чем заливать в бак бензин. Вроде бы все хорошо, но есть в этом заманчивом предложении один недостаток, который не позволяет широко внедрить его в жизнь. Алюминий на заводах получают с помощью электричества. Процесс этот очень энергоемкий: на 1 кг алюминия расходуется примерно 15 кВт-ч электроэнергии. Число автомобилей в мире исчисляется сотнями миллионов, и простой расчет показывает, что для их исправного снабжения алюминием необходима 10-кратная мощность всех существующих электростанций! Значит, даже если бы новые автомобили работали со 100 %-ным КПД (чего не бывает) и человечество отказалось бы от всех других применений электричества (что также маловероятно), все равно лишь один из 10 «бензиновых» автомобилей удалось бы заменить на «алюминиевый». Вот почему во всем мире огромные количества нефти продолжают перерабатывать на бензин.

И все же алюминий нашел практическое применение в качестве топлива. Но не автомобильного, а ракетного. Ведь ракета, в отличие от автомобиля, должна нести в себе не только топливо, но и окислитель (жидкий кислород, жидкий тетраоксид азота N2O4 и т. п.). Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для сжигания 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сжигании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при его сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Реакцию алюминия с водой можно осуществлять, например, в двигателях ракеты первой ступени. Расчеты показали, что при этом запас топлива, который требуется для предварительного разгона многоступенчатой ракеты, можно уменьшить в 1,5–2 раза по сравнению с традиционными видами топлива. А на Венере можно было бы вообще не брать на ракету запас окислителя. В атмосфере этой планеты 97 % углекислого газа, в котором алюминий сгорает с выделением 15 000 кДж на 1 кг металла: 2Al + 3CO2 = Al2O3 + 3CO.

Идея использования алюминия в качестве горючего – не новость. Еще в 1924 г. отечественный ученый и изобретатель Ф. А. Цандер предложил использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время видов твердого ракетного топлива содержат металлический алюминий в виде тонко измельченного порошка. Добавление 15 % алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения этих продуктов из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.

«Резиновая древесина»

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 NH4+. 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 (CH3)2Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH3+. 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.