Химия без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

Анастасия Мартюшева, 2018

Вам кажется, что химия трудна, грустна и сложна для восприятия? Это глобальное заблуждение. Ведь химия вокруг нас и даже внутри нас. Химическая наука настолько интересна и неожиданна, что стоит только ею увлечься, и оторваться очень трудно. История науки и ее современность, химия в природе и в быту, мягкие металлы, вездесущий углерод, огнеупорная бумага и глутамат натрия… В этой книге вы найдете столько интересного, что полюбите химию навсегда. Книга также издавалась под названием "99 секретов химии". В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.

© ИП Сирота, 2017

© ООО «Издательство «Эксмо», 2022

Химия в природе

№ 1. Покормите пластиком микробов. Проблемы утилизации пластиковых изделий

Почти во всем, что мы покупаем, можно найти пластик. Все вещи, которые нас окружают, когда-то были упакованы в пластиковую тару. Знаете ли вы, что пластик — это продукт переработки нефти, а его точное название — полиэтилентерефталат? Ежегодно в мире производят и выбрасывают более 13 миллиардов пластиковых бутылок. А чтобы получить 1 миллиард пластиковых бутылок, необходимо 90 миллионов литров нефти.

Представьте, что Атлантический океан пересох и в эту яму сбросили весь пластиковый мусор из вод Мирового океана. Яма заполнится не просто до краев, а с горкой! Потому что в водах Мирового океана плавает 12,7 миллиона тонн пластика.

Часть бутылок удается собрать и отправить на переработку. Переработанные бутылки используются повторно, но со временем они снова оказываются на свалках. Поэтому утилизация пластика обернулась глобальной экологической проблемой. На разрушение всего одной пластиковой бутылки матушка-природа тратит целых 300 лет! А таких бутылок — миллионы тонн.

Ученые нашли решение проблемы. Они обнаружили «пластикоядную» бактерию Ideonella sakaiensis, способную разлагать цепочки полимера на воду и углекислый газ.

В ДНК микроба есть два фермента: ПЭФаза и МГЭТ-гидролаза. Первая разлагает пластик на «кирпичики», вторая — расщепляет эти звенья на этиленгликоль и терефталевую кислоту, которыми и питается бактерия. Если добавлять колонии Ideonella sakaiensis в кучи мусора на свалках, его разложение ощутимо ускорится. Ученые предполагают, что если искусственно синтезировать ферменты, то можно превратить пластик в воду и углекислый газ.

Людям почему-то нравится сваливать мусор в такие места, где еще сохранилась природа.

Маргарет Этвуд

№ 2. Питание солнечным светом. Явление фотосинтеза

Фотосинтез — это образование органических веществ в клетках зеленых растений из углекислого газа и воды. Фотосинтез протекает в двух фазах: световой и темновой. Первая фаза происходит под воздействием света. Сначала растение всасывает воду из почвы. Затем под лучами света вода внутри листьев распадается, вследствие чего в атмосферу выделяется кислород.

2Н₂О → 4е + 4Н⁺ + О₂↑

Для темновой фазы свет необязателен. В ее процессе из углекислого газа, полученного растением из воздуха, и водорода, оставшегося при распаде воды, образуется глюкоза.

24Н⁺ + 6СО₂ → С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О

Глюкоза — продукт фотосинтеза. Это пища растений, которую они не могут добыть из почвы или воздуха. Они вынуждены производить ее самостоятельно. Благодаря фотосинтезу в природе регулируется баланс углекислого газа, а воздух насыщается кислородом.

№ 3. Их твердость не сломить: самые твердые материалы на свете

Твердость материалов измеряется в гигапаскалях (ГПа). При показателях выше 40 ГПа материал считается сверхтвердым. Эталоном твердости признан алмаз. Его твердость — 115 ГПа. Однако в мире существуют и другие сверхтвердые вещества.

Диборид рения (ReB ₂) — очень необычный материал. Без нагрузок он ведет себя как сверхтвердый (48 ГПа): его твердость и износостойкость выше, чем у многих сплавов с высочайшей твердостью. При нагрузках диборид рения как будто размягчается, и его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт стал поводом для споров среди ученых — стоит ли считать диборид рения сверхтвердым.

Карбид бора (B ₄C) используют для изготовления пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа. При соединении с ионами аргона его твердость возрастает до 72 ГПа.

Лонсдейлит (С) по структуре очень похож на алмаз. Оба минерала — модификации углерода. Лонсдейлит впервые был обнаружен среди метеоритных остатков в кратере Барринджера (Каньон Дьявола, США). Его микрокристаллы также были найдены на месте падения Тунгусского метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. Вероятно, при взрыве метеорита графит превратился в лонсдейлит. Беспримесный лонсдейлит тверже алмаза — 152 ГПа.

Фуллерит (С₆₀) — самое твердое вещество в мире. Фуллерит является природной кристаллической формой углерода. Его кристаллы состоят не из отдельных атомов, а из молекул. Благодаря этому вещество обладает исключительной твердостью. Фуллерит способен царапать алмаз так же легко, как сталь царапает пластик. Твердость фуллерита — 310 ГПа.

Есть три вещи, сделать которые необычайно трудно: сломать сталь, раскрошить алмаз и познать самого себя.

Бенджамин Франклин

№ 4. Дышите глубже! Образование озона

Воздух после грозы пропитан специфичным запахом из-за молекул появляющегося в нем озона. Озон — это особая форма кислорода. Электрические разряды молнии расщепляют молекулы кислорода (О₂), и одиночные атомы соединяются, иногда не по два, а по три. Молекула О₃ — это и есть озон. При такой малой концентрации озона в воздухе погибают бактерии и легче дышится.

Хорошо, что соединяются лишь некоторые атомы. В чистом виде озон — мощный окислитель, газ голубого цвета с резким «металлическим» запахом. В больших количествах он опасен для живых организмов. Озон раздражает дыхательные пути, вызывая кашель, першение в горле, отечность и тяжесть в грудной клетке. Его обилие в воздухе ведет к патологиям всей дыхательной системы. К счастью, у самой поверхности Земли озона мало. Однако в крупных мегаполисах его концентрация повышается за счет промышленных выбросов в атмосферу и выхлопа автомобилей.

№ 5. Можно ли выбрасывать «севшие» батарейки в мусорный бак? Почему нет?

В России среднестатистическая семья использует около 18 пальчиковых батареек в год. Ежегодно на свалках Москвы оказывается более 15 миллионов батареек.

Одна выброшенная батарейка способна отравить площадь в 20 квадратных метров. В природе эта территория может служить домом для нескольких деревьев, семейства ежей и нескольких тысяч дождевых червей.

В батарейках содержатся тяжелые металлы: ртуть, никель, кадмий, свинец, литий, марганец и цинк. Накапливаясь в живых организмах, они наносят серьезный вред здоровью.

Свинец (Pb) вызывает заболевания мозга и нервной системы. Кадмий (Cd) накапливается в печени, почках, костных тканях и щитовидной железе. Ртуть (Hg) — яд. Она относится к первому классу опасности — «чрезвычайно опасные вещества».

Батарейка, выброшенная в мусор, оказывается на свалке. Она тлеет с другим мусором, а летом может и возгореться. Горящая батарейка выпускает клубы едкого дыма, насыщенного диоксинами. С дождевой водой диоксины попадают в почву, поглощаются растениями и попадают к нам на стол.

Ядовитые вещества из батареек проникают и в водоемы. Рыба и морепродукты, водоросли, питьевая вода — все становится отравленным. Кипятить такую воду бесполезно. Диоксинам, в отличие от микробов, кипячение не страшно.

Период полураспада диоксинов в окружающей среде составляет 10 лет. Для уничтожения опасных отходов существуют специальные пункты утилизации. Туда, помимо батареек, можно сдать аккумуляторы, ртутные градусники, ртутные лампы, неисправную электронику и лакокрасочные изделия.

Дай человеку рыбу, и он будет сыт один день. Но научи его ловить рыбу, и года за три он умрет от отравления ртутью.

Чарли Хаас

№ 6. Пчелиная лаборатория. Как они это делают?

У пчелиного меда нет точной химической формулы. Его состав зависит от растений, почвы, погоды и т. д. Зрелый мед может содержать 20 % воды (H₂O), 33–35 % глюкозы (C₆H₁₂O₆), 40 % фруктозы (C₆H₁₂O₆) и всего 0,18–0,2 % сахарозы (C₁₂H₂₂O₁₁).

В процессе добычи меда рабочие пчелы передают собранный нектар в улей. Производство в пчелиной лаборатории разворачивается.

Чтобы превратить нектар в мед, пчелы приправляют его ферментами. Так из нектара уходит лишняя влага и образуется солодовый сахар — мальтоза (C₁₂H₂₂O₁₁). Ферментированный нектар закладывают в соты, утрамбовывают, обезвоживают и щедро заправляют дополнительной порцией ферментов. Ячейку герметично запечатывают воском и в вакууме оставляют мед дозревать. Находясь как в консервной банке, мед не портится. Созревший мед достается хозяину пчелиной лаборатории — пасечнику.

№ 7. Если вас укусили: антидоты

Укусы ядовитых змей могут парализовать, нанести вред здоровью и даже убить. Человек, укушенный ядовитой змеей, должен как можно скорее принять противоядие — антидот.

Антидоты способны нейтрализовать или приостановить действие яда в организме. Чтобы антидот подействовал, нужно правильно определить вид змеи. Яды змей специфичны, и против каждого из них разработана специальная сыворотка. Например, сыворотка против яда гадюки бесполезна при укусе кобры.

Как ни странно, для приготовления спасительной сыворотки используют яд того вида змеи, против укусов которой эта сыворотка предназначена.

Ученые добывают змеиный яд и микроскопическими дозами вводят его лошадям. Такая дозировка не вредит животному, но лошадиный организм в ответ на яд начинает вырабатывать антитела. Этот процесс длится несколько дней. Затем, когда в крови животного выработано достаточно антител, ученые берут у лошади около 6 литров крови. Из полученного материала они выделяют те самые антитела и готовят сыворотку-антидот.

После инъекции сыворотки человеку, которого укусила змея, антитела вступают в реакцию с нейротоксическими протеинами яда и нейтрализуют их.

На данный момент универсального антидота против ядов всех змей не существует. Но ученые всего мира усердно работают над этим. На помощь им пришли нанотехнологии! Химики из Калифорнийского университета создали особые наночастицы. Они нейтрализуют токсины, содержащиеся в яде змей всего мира. В ближайшем будущем это изобретение спасет тысячи жизней и избавит врачей от необходимости подбирать антидот для каждого конкретного яда.

Яд и лекарство — часто одно и то же, все дело в пропорции.

Элис Сиболд

№ 8. «Живая» и «мертвая» вода

Если через воду пропустить электрический ток, то рядом с полюсами источника тока изменятся состав и структура воды. У положительно заряженного анода соберется кислотная вода. Ее называют «мертвой». Около отрицательного катода сконцентрируется щелочная — «живая» — вода.

Мертвая вода (анолит) обладает легким кислым запахом и привкусом. Ее кислотность варьируется от 2,5 до 3,5 рH. Мертвая вода — бактерицид и дезинфектор. Такой водой можно полоскать нос, рот и горло при простуде. Кислотная среда уничтожает микробы и бактерии.

Живая вода (католит) является щелочным раствором. Она очень мягкая. Кислотность «живой» воды составляет 8,5–10,5 рН. Живая вода активизирует внутренние процессы организма: повышает кровяное давление и обмен веществ, улучшает самочувствие.

№ 9. Почему яд одних существ убивает, а других — исцеляет?

Яд — это вещество, приводящее к отравлению организма, заболеваниям и смертельным исходам. А знаете ли вы, что, несмотря на токсичность, яды некоторых живых существ используют для лечения людей?

Яд в небольшой концентрации может обладать лечебными свойствами. Этим правилом люди пользовались с древних времен. Современная медицина также разрабатывает лекарства на основе животных ядов. Чаще всего для этих целей используются яды змей, пчел и пауков. Помимо препаратов на основе продуктов пчеловодства, пчелиный яд наиболее распространен в быту.

Змеиный яд применяется в медицине относительно недавно. В чистом виде его не используют, так как даже малые дозы змеиного яда опасны. Ученые-химики и фармацевты подолгу проводят исследования, прежде чем выпустить лекарство на основе яда змеи.

№ 10. Синий, красный, голубой — выбирай себе любой! Пигменты

Биологические пигменты — это природные красители, придающие цвет тканям животных и растений. За проявление окраски отвечают определенные участки молекул пигментов — хромофоры. Они состоят из атомов, объединенных в цепочки или кольца с чередующимися одинарными и двойными связями.

—С=С–С=С–

Чем больше элементов в цепочке, тем насыщеннее окрас. Существует несколько групп растительных пигментов. Хлорофилл (C₅₅H₇2O₅N ₄Mg) — зеленый пигмент. Он содержится в зеленых частях растений, а также в бурых и красных водорослях. Антоцианы — красные и синие пигменты. Содержатся в клеточном соке и клеточных оболочках. Антоцианы получают при соединении сахаров с антоцианидинами — другими натуральными пигментами, которыми богаты ягоды голубики, ежевики, клюквы, вишни, граната и некоторые сорта винограда.

Флавоны и флавонолы — желтые пигменты. Они хорошо растворяются в воде, поэтому наши предки использовали флавоноловые красители для окраски тканей.

Каротиноиды — желто-оранжевые пигменты. В отличие от антоцианов, растворенных в клеточном соке, каротиноиды содержатся в желтых и оранжевых пластидах — хромопластах. Ими богаты морковь, помидоры, перец, шиповник. Меланины — темные пигменты. Идеально черный пигмент в природе не существует, но черно-коричневые цвета, создаваемые меланинами, встречаются в кожуре красного винограда, лепестках некоторых цветков, черном чае и березовом грибе (чаге).

Бетулин — белый пигмент. Он окрашивает в белый цвет стволы берез.

Главная функция пигментов — фотосинтез. Благодаря им растениям удается использовать для фотосинтеза почти весь спектр видимого света, а также ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.

Генрих Гейне

№ 11. Кисленько! Кислоты в природе

Почти все органические кислоты относятся к карбоновым. В формуле карбоновых кислот присутствует фрагмент COOH. Это карбоксильная группа, состоящая из карбонильной (углерод (С) + кислород (О)) и гидроксильной (кислород (О) + водород (Н)) групп.

Муравьиная кислота (CH₂O₂) — это прозрачная, пахучая и едкая жидкость. Попадая на кожу, кислота может вызвать ожог. Для муравьев кислота — это средство общения, сигнал об опасности и средство защиты. CH₂O₂ содержится в соке крапивы, хвое и фруктах. Муравьиная кислота полезна для крупных млекопитающих. Медведи с ее помощью выводят паразитов. Животное ложится на муравейник, а муравьи кусают его, впрыскивая кислоту.

Уксусная кислота (CH₃COOH) образуется в результате брожения в присутствии кислорода. В чистом виде она замерзает при +16 °C, за что ее называют ледяной.

Щавелевая (C₂H₂O₄), малоновая (C₃H₄O₄) и лимонная (C₆H₈O₇) кислоты — белые кислые кристаллики. Щавелевая и малоновая кислоты есть в плодах и листьях щавеля, спаржи, крапивы, рябины, черники. Много лимонной кислоты содержится в ягодах барбариса, земляники, малины, в овощах и фруктах, особенно в цитрусовых.

Молочная кислота (С₃Н₆О₃) — промежуточный продукт обмена веществ у теплокровных существ. Кровососущие насекомые улавливают ее запах, что позволяет им находить жертву. Молочная кислота содержится в соленых огурцах, квашеной капусте, а также образуется при созревании сыра.

За счет кислот растения способны конкурировать друг с другом. Дикорастущие растения выделяют уксусную и масляную кислоту (C₄H₈O₂), тем самым подавляя рост или убивая другие растения.

Мал муравей, а жалит больно.

Корейская поговорка

№ 12. Из чего состоит воздух: чем на самом деле мы дышим?

Воздух — это смесь газов, образующая атмосферу Земли. Его основные компоненты — азот (N ₂) и кислород (О₂). В состав воздуха входят и другие газы: аргон (Ar), углекислый газ (CO₂), неон (Ne), метан (CH₄), гелий (He), криптон (Kr), водород (H₂), ксенон (Xe).

Атмосфера загрязняется вредными выбросами заводов, фабрик, атомных электростанций и автомобилей. Согласно статистике ВОЗ, от воздействия загрязненного воздуха ежегодно погибает 7 миллионов человек. Основные «загрязнители» присутствуют в воздухе крупных мегаполисов и промышленных городов.

«Угарный газ» (СО) образуется при определенных условиях во время горения угля, газа и нефти. Углекислый газ (СО₂) — продукт окисления углерода. Малые количества CO₂ в воздухе — это норма. А вот его избыток способен привести к парниковому эффекту и, как следствие, к повышению температуры на планете. Диоксид серы (SO₂) является одной из причин выпадения кислотных дождей. Озон (О₃) — мощный окислитель и один из самых токсичных «загрязнителей». Углеводороды — соединения углерода (С) и водорода (H). Они содержатся в несгоревшем бензине, средствах для химчистки и т. д. Металл свинец (Pb) токсичен в любой форме. Его используют в производстве красок и боеприпасов. Около 80 % соединений свинца попадает в воздух с выхлопными газами автомобилей.

Чтобы вдыхать меньше вредного воздуха, нужно чаще бывать в лесопарковых зонах, садах и парках. Растения поглощают из воздуха вредные вещества и обогащают его кислородом. Также рекомендуется регулярно проветривать квартиры и офисы.

Если хочешь жить, нужно научиться вообще не дышать.

Александр Покровский

№ 13. Извержение вулкана: как пахнет сера?

Сера (S) встречается в природе в свободном состоянии (самородная сера) и в виде соединений. Раньше серу добывали после извержения вулканов, а наибольшую ценность представляли продукты, содержащие углекислый газ и сероводород (H₂S).

Во время извержения вулкан выбрасывает на поверхность раскаленные осколки горных пород, пепла, магмы и газов. Вулканический газ — это настоящий химический коктейль из пара, углекислого газа, сероводорода, оксида углерода (CO), азота (N ₂), оксида серы (SO), газообразной серы (S ₂) и других летучих соединений.

Вулканы могут испускать ядовитые газы даже между извержениями. Вулканические газы поднимаются в атмосферу и выпадают в виде кислотных дождей. Сера и ее соединения имеют удушающий зловонный запах. Сероводород (H₂S), например, пахнет протухшим куриным яйцом.

№ 14. Как рождаются алмазы?

Алмаз — модификация чистого углерода (С). Этот минерал — одно из самых твердых веществ в мире и ценнейший драгоценный камень.

Алмазы образуются под землей на глубине 100–200 км. Температура в местах их «рождения» достигает 1100–1300 °С, а давление — 35–50 килобар. При таких условиях углерод, содержащийся в графите, превращается в алмаз, имеющий плотную кубическую структуру. Спустя миллиарды лет, проведенные в недрах планеты, алмазы попадают на поверхность Земли во время вулканических взрывов. Так образуются целые месторождения драгоценных камней.

Кристалл алмаза — правильный многогранник, имеющий восемь граней. Вес алмаза измеряется в каратах. Один карат равен 0,2 грамма, или 200 миллиграммов. Алмазы массой более 15 карат встречаются редко, массой в сотни карат считаются величайшей редкостью.

До недавнего времени самым крупным считался «Куллинан». Его обнаружили в 1905 году в Южной Африке. Масса алмаза составляла 3106 карат (621 г). Во время обработки «Куллинан» раскололи на 105 частей. Самую крупную (516,5 карата, вес 103,3 г) назвали «Звезда Африки». В 2015 году в ЮАР был найден алмаз весом 7000 каратов (примерно 1,5 кг).

После огранки алмазы превращаются в сверкающие бриллианты. Как правило, алмазы бесцветны, но есть и исключения. Бриллиант «Фиорентино», тайну исчезновения которого до сих пор не раскрыли, весил 137 карат и имел золотисто-желтый оттенок. Знаменитый «Орлов» (199,6 карат) зеленовато-голубого цвета. «Хоуп» (45,5 карата) имеет насыщенный сапфирово-синий отлив. Крайне ценны красные алмазы. В мире их всего 10.

Алмазы можно отыскать лишь в недрах земли; истины можно отыскать лишь в глубинах человеческой мысли.

Виктор Гюго

№ 15. Несоленая соль и несладкий сахар

Под понятиями «соль» и «сахар» мы обычно подразумеваем поваренную соль (хлорид натрия — NaCl) и сахарозу (C₁₂H₂₂O₁₁). Но существуют соли и сахара, не имеющие привычного сладкого и соленого вкуса.

Далеко не все соли соленые. Бромид калия (KBr) и йодид аммония (NH₄I) обладают горько-соленым вкусом. Хлорид цезия (CsCl), бромиды рубидия (AlBr₃) и цезия (NaBr), иодиды калия (KI), рубидия (RbI) и цезия (CsI), сульфат магния (MgSO₄) сильно горчат. Раньше химики пробовали вещества на вкус. Возможно, именно это стало причиной смерти шведского химика Шееле. Ученый проводил опыты с синильной кислотой (HCN) и ее солями. Великий физик Исаак Ньютон тяжело заболел после исследования вкуса соединений ртути (Hg).

Полисахариды — сложные углеводы — несладкие. Каждый человек ежедневно употребляет в пищу около 500 г сахарозы в составе сложных углеводов.

Наиболее распространенные полисахариды — это крахмал ((C₆H₁₀O₅)_n), целлюлоза ((C₆H₁₀O₅)_n) и гликоген (C₂₄H₄₂O₂₁).

Крахмал содержится в растительных волокнах. Например, в злаках и клубнях картофеля. Он образуется в тканях растений из глюкозы.

С₆Н₁₂О₆ = (С₆Н₁₀О₅)_n + _nН₂О (глюкоза = крахмал + вода)

Гликоген содержится в клетках животных и человека.

Целлюлоза присутствует в некоторых продуктах питания. В организме человека нет ферментов, способных ее расщепить. Однако жвачные животные способны переваривать целлюлозу, разделяя ее на молекулы глюкозы.

Молочный сахар, или лактоза (C₁₂H₂₂O₁₁) — еще один из сахаров. Примерно 5 % лактозы содержится в молоке. Ее вкус почти в 3 раза менее сладкий, чем у сахарозы.

Не верь всему что видишь. Ведь даже соль выглядит как сахар.

Арабская пословица