Химия вокруг нас

Содержание

Введение

Повсюду, куда бы ни обратил свой взор, нас окружают предметы и изделия, изготовленные из веществ и материалов, которые получены на химических заводах и фабриках. Кроме того, в повседневной жизни, сам того не подозревая, каждый человек осуществляет химические реакции. Например, умывание с мылом, стирка с использованием моющих средств и др. При опускании кусочка лимона в стакан горячего чая происходит ослабление окраски — чай здесь выступает в роли кислотного индикатора, подобного лакмусу. Аналогичное кислотно-основное взаимодействие проявляется при смачивании уксусом нарезанной синей капусты. Хозяйки знают, что капуста при этом розовеет. Зажигая спичку, замешивая песок и цемент с водой или гася водой известь, обжигая кирпич, мы осуществляем настоящие, а иногда и довольно сложные химические реакции. Объяснение этих и других широко распространенных в жизни человека химических процессов — удел специалистов.

Приготовление пищи — это тоже химические процессы. Не зря говорят, что женщины-химики часто очень хорошие кулинары. Действительно, приготовление пищи на кухне иногда напоминает выполнение органического синтеза в лаборатории. Только вместо колб и реторт на кухне используют кастрюли и сковородки, но иногда и автоклавы в виде скороварок. Не стоит далее перечислять химические процессы, которые проводит человек в повседневной жизни. Необходимо лишь отметить, что в любом живом организме в огромных количествах осуществляются различные химические реакции. Процессы усвоения пищи, дыхания животного и человека основаны на химических реакциях. В основе роста маленькой травинки и могучего дерева также лежат химические реакции.

Химия - это наука, важная часть естествознания. Строго говоря, наука не может окружать человека. Его могут окружать результаты практического приложения науки. Это уточнение весьма существенное. В настоящее время часто можно слышать слова: «химия испортила природу», «химия загрязнила водоем и сделала его непригодным для использования» и т. д. На самом же деле наука химия здесь вовсе непричем. Люди, используя результаты науки, плохо оформили их в технологический процесс, безответственно отнеслись к требованиям правил безопасности и к экологически допустимым нормам промышленных сбросов, неумело и не в меру использовали удобрения на сельскохозяйственных угодьях и средства защиты растений от сорняков и вредителей растений. Любая наука, особенно естествознание, не может быть хорошей или плохой. Наука — накопление и систематизация знаний. Другое дело, как и в каких целях используются эти знания. Однако это уже зависит от культуры, квалификации, моральной ответственности и нравственности людей, не добывающих, а использующих знания.

Без продуктов химической промышленности современному человеку не обойтись, так же как нельзя обойтись без электричества. Такая же ситуация и с продуктами химической промышленности. Нужно протестовать не против некоторых химических производств, а против их низкой культуры.

Культура человека — сложное и разноплановое понятие, при котором возникают такие категории, как умение человека вести себя в обществе, правильно владеть родным языком, следить за опрятностью своей одежды и внешним видом и т. д. Однако мы часто говорим и слышим о культуре строительства, культуре произ­водства культуре ведения сельского хозяйства и т. д. Действительно, когда речь заходит о культуре Древней Греции или еще более ранних цивилизациях, то прежде всего вспоминают о ремеслах, которыми владели люди той эпохи, какие орудия труда они использовали, что умели строить, как умели украшать строения и отдельные предметы.

Многие важные для человека химические процессы были открыты задолго до того, как химия оформилась в науку. Значительное количество химических открытий было сделано наблюдательными и любознательными ремесленниками. Эти открытия переходили в семейные или клановые секреты и далеко не все дошли до нас. Часть из них была утеряна для человечества. Приходилось и приходится затрачивать огромный труд, создавать лаборатории, а иногда и институты для раскрытия секретов древних мастеров и их научного толкования.

Многие не знают, как устроен телевизор, но успешно пользуются им. Однако знание устройства телевизора никогда и никому не помешает в правильной его эксплуа­тации. Так и с химией. Понимание сущности химических процессов, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, может принести человеку только пользу.

Вода

Вода в масштабе планеты. Человечество издавна уделяло боль­шое внимание воде, поскольку было хорошо известно, что там, где нет воды, нет и жизни. В сухой земле зерно может лежать многие годы и прорастает лишь в присут­ствии влаги. Несмотря на то, что вода — самое распро­страненное вещество, на Земле она распределена весьма неравномерно. На африканском континенте и в Азии имеются огромные пространства, лишенные воды, — пустыни. Целая страна — Алжир — живет на привозной воде. Воду доставляют на судах в некоторые прибрежные районы и на острова Греции. Иногда там вода стоит дороже вина. По данным Организации Объединенных Наций, в 1985 г. 2,5 млрд. населения земного шара испытывали недостаток в чистой питьевой воде.

Поверхность земного шара на ³/₄ покрыта водой — это океаны, моря; озера, ледники. В довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в зем­ной коре. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,4 млрд. км³. Основное количество воды со­держится в океанах (около 97,6%), в виде льда на нашей планете воды имеется 2,14 %. Вода рек и озер составляет всего лишь 0,29 % и атмосферная вода — 0,0005 %.

Таким образом, вода находится на Земле в постоян­ном движении. Среднее время ее пребывания в атмосфе­ре оценивается 10 сутками, хотя и меняется с широтой местности. Для полярных широт оно может достигать 15, а в средних — 7 суток. Смена воды в реках происходит в среднем 30 раз в год, т. е. каждые 12 дней. Влага, содержащаяся в почве, обновляется за 1 год. Воды проточных озер обмениваются за десятки лет, а непроточ­ных за 200—300 лет. Воды Мирового океана обновляют­ся в среднем за 3000 лет. Из этих цифр можно получить представление о том, сколько времени необходимо для самоочистки водоемов. Нужно лишь иметь в виду, что если река вытекает из загрязненного озера, то время ее самоочистки определяется временем самоочистки озера.

Вода в организме человека. Не очень легко предста­вить, что человек примерно на 65 % состоит из воды. С возрастом содержание воды в организме человека уменьшается. Эмбрион состоит из воды на 97 %, в теле новорожденного содержится 75 %, а у взрослого чело­века — около 60 %.

В здоровом организме взрослого человека наблюдает­ся состояние водного равновесия или водного баланса. Оно заключается в том, что количество воды, потреб­ляемое человеком, равно количеству воды, выводимой из организма. Водный обмен является важной составной частью общего обмена веществ живых организмов, в том числе и человека. Водный обмен включает процессы всасывания воды, которая поступает в желудок при питье и с пищевыми продуктами, распределение ее в организме, выделения через почки, мочевыводящие пу­ти, легкие, кожу и кишечник. Следует отметить, что вода также образуется в организме вследствие окисле­ния жиров, углеводов и белков, принятых с пищей. Такую воду называют метаболической. Слово метабо­лизм происходит от греческого, что означает перемена, превращение. В медицине и биологической науке мета­болизмом называют процессы превращения веществ и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организ­мов. Белки, жиры и углеводы окисляются в организме с образованием воды Н₂О и углекислого газа (диоксида углерода) СО₂. При окислении 100 г жиров образуется 107 г воды, а при окислении 100 г углеводов — 55,5 г воды. Некоторые организмы обходятся лишь метаболи­ческой водой и не потребляют ее извне. Примером является ковровая моль. Не нуждаются в воде в природ­ных условиях тушканчики, которые водятся в Европе и Азии, и американская кенгуровая крыса. Многие знают, что в условиях исключительно жаркого и сухого климата верблюд обладает феноменальной способностью долгое время обходиться без пищи и воды. Например, при массе 450 кг за восьмидневный переход по пустыне верблюд может потерять 100 кг в массе, а потом восста­новить их без последствий для организма. Установлено, что его организм использует воду, содержащуюся в жидкостях тканей и связок, а не крови, как это происходит с человеком. Кроме того, в горбах верблюда содер­жится жир, который служит одновременно запасом пищи и источником метаболической воды.

Общий объем воды, потребляемый человеком в сутки при питье и с пищей, составляет 2—2,5 л. Благодаря водному балансу столько же воды и выводится из организма. Через почки и мочевыводящие пути удаляется около 50—60 % воды. При потере организмом человека 6—8 % влаги сверх обычной нормы повышается темпе­ратура тела, краснеет кожа, учащается сердцебиение и дыхание, появляется мышечная слабость и головокруже­ние, начинается головная боль. Потеря 10 % воды может привести к необратимым изменениям в организме, а поте­ря 15—20 % приводит к смерти, поскольку кровь на­столько густеет, что с ее перекачкой не справляется сердце. В сутки сердцу приходится перекачивать около 10 000 л крови. Без пищи человек может прожить около месяца, а без воды — всего лишь несколько суток. Реакцией организма на нехватку воды является жажда. В этом случае ощущение жажды объясняют раздраже­нием слизистой оболочки рта и глотки из-за большого понижения влажности. Существует и другая точка зре­ния на механизм формирования этого ощущения. В соот­ветствии с ней сигнал о понижении концентрации воды в крови на клетки коры головного мозга подают нервные центры, заложенные в кровеносных сосудах.

Водный обмен в организме человека регулируется центральной нервной системой и гормонами. Нарушение функции этих регуляторных систем вызывает нарушение водного обмена, что может приводить к отекам тела. Конечно, различные ткани человеческого организма со­держат различное количество воды. Самая богатая водой ткань — стекловидное тело глаза, содержащее 99%. Самая же бедная — эмаль зуба. В ней воды всего лишь 0,2%. Много воды содержится в веществе мозга.

Важной функцией океанов и морей является регулирование содержания в атмосфере углекислого газа (диоксида углерода). Его относительное содержание в атмосфере невелико и составляет всего лишь 0,03— 0,04 %, Однако общая масса, заключающаяся в атмо­сфере, очень большая — 2000—2500 млрд. т. В связи с развитием энергетики, промышленности и транспорта сжигается огромное количество угля и нефтепродуктов. Основным продуктом их окисления является СО₂. Учеными установлено, что атмосферный СО₂ обладает способностью задерживать, т. е. не пропускать в косми­ческое пространство, тепловое излучение Земли («пар­никовый эффект»). Чем больше СО₂ в атмосфере, тем теплее климат Земли. Общее потепление климата может привести к катастрофическим последствиям. В результате потепления усилится таяние льдов на полюсах планеты и в горных районах, что приведет к повышению уровня Мирового океана и к затоплению огромных площадей су­ши. Подсчитано, что если расплавить все ледники Гренлан­дии и Антарктиды, то уровень океана поднимется почти на 60 м. Нетрудно догадаться, что тогда Санкт-Петербург и многие приморские города окажутся под водой. Важным регулятором содержания СО₂ в атмосфере является растительный покров Земли. В результате фотосинтеза растения превращают СО₂ в клетчатку и освобождают кислород:

CO₂ + 6H₂O-> C6H₁₂O₆ + 6O₂

Уместно отметить, что растения — основные поставщики атмосферного кислорода, а его источником прямо или косвенно является вода. Ежегодное продуцирование кис­лорода земной растительностью планеты составляет 300 млрд. т.

Основную роль в регулировании содержания СО₂ в атмосфере играют океаны. Между Мировым океаном и атмосферой Земли устанавливается равновесие: углекис­лый газ СО₂ растворяется в воде, превращаясь в угольную кислоту Н₂СО₃, и далее превращается в донные карбо­натные осадки. Дело в том, что в морской воде содер­жатся ионы кальция и магния, которые с карбонатным ионом могут превращаться в малорастворимый карбонат кальция СаСО₃ и магния MgCO₃. Многие морские орга­низмы извлекают первую соль из морской воды и строят из нее панцири. При отмирании этих организмов за боль­шие периоды времени на дне образуются огромные скоп­ления панцирей. Так формируются залежи мела, а в результате вторичных геологических превращений — за­лежи известняков, часто в виде бутовых плит. Как мел, так и бутовый камень широко используют в строитель­ном деле.

Зеленому покрову Земли невозможно справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания СО₂ в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения для построения своего тела ежегодно потребляют из атмосферы 20 млрд. т СО₂, а обитатели океанов и морей извлекают из воды 155 млрд. т в пересчете на СО₂.

Не менее важным веществом в создании «парнико­вого эффекта», чем СО₂, является атмосферная вода. Она также перехватывает и поглощает тепловое излуче­ние Земли. Однако в атмосфере ее гораздо больше, чем углекислого газа. Атмосферную влагу, особенно в виде облаков, иногда сравнивают с «одеялом» планеты. Многие замечали, при ясном и безоблачном небе ночи бывают холоднее, чем в облачную погоду.

К основным потребителям пресной воды относятся: сельское хозяйство (70%), промышленность, включая энергетику (20 %) и коммунальное хозяйство (~ 10 %). В промышленном производстве наиболее водоемкими яв­ляются химическая, целлюлозно-бумажная и металлурги­ческая промышленность. Так, на изготовление I т синте­тического волокна расходуется 2500—5000, пласт­массы — 500—1000, бумаги — 400—800, стали и чугуна — 160—200 м³ воды. Опыт показывает, что на быто­вые нужды житель благоустроенного города расходует 200—300 л воды в день. Распределение потребления воды в среднем следующее: на приготовление пищи и питье расходуется всего лишь 5 %, в смывном бачке туалета — 43, для ванны и душа — 34, на мытье посуды — 6, на стирку — 4, на уборку помещения — 3 %.

Для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, а также вредных минераль­ных и органических примесей, если она прозрачна, бес­цветна и не имеет привкуса и запаха. В соответствии с Государственным стандартом содержание минеральных примесей не должно превышать 1 г/л. Кислотность воды в единицах рН должна быть в пределах 6,5—9,5. Концентрация нитратного иона не должна превышать 50 мг/л. Естественно, что она должна также отвечать бактериологическим требованиям и иметь допустимые показатели на токсичные химические соединения. Этим требованиям наиболее часто удовлетворяет колодезная и родниковая вода. Однако в больших количествах найти воду, отвечающую Государственному стандарту, трудно. Поэтому ее приходится очищать на специальных станциях. Основными стадиями очистки являются фильт­рование (через слой песка) и обработка окислителями (хлором или озоном). В некоторых случаях приходится применять коагуляцию. Для этого используют сульфат алюминия A1₂{SO₄)3. В слабощелочной среде, создавае­мой карбонатами кальция, под действием воды эта соль гидролизуется и из нее получается хлопьевидный осадок гидроксида алюминия Аl(ОН)₃, а также сульфат кальция CaSO₄ в соответствии с уравнением

Al₂ (SO₄)₃ + ЗСа (НСО₃)₂ = 2AI (ОН) ₃ ? + 3CaSO₄? + 6СО₂

Гидроксид алюминия А1(ОН)₃ вначале образуется в виде мелких коллоидных частиц, которые со временем объединяются в более крупные. Этот процесс называют коагуляцией. При коагуляции хлопья А1(ОН)₃ захваты­вают взвешенные примеси и сорбируют на своей развитой поверхности органические и минеральные вещества.

С давних пор для стерилизации питьевой воды ис­пользовалось простое кипячение, а древние греки добав­ляли в воду сухое вино, что создавало кислую среду, в которой погибали многие болезнетворные микробы.

Питьевая вода должна содержать небольшие количества растворенных солей и газов. В зависимости от них в различных местах вода отличается по вкусу. Макрокомпонентами химического состава поверхностных и некоторых подземных вод считают ионы Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Са²⁺, SO₄, Сl, NO₃. Ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ в заметных количествах содержатся только в локальных подземных водах, характеризующихся кислой средой. Кремниевая кислота H₂SiO₃ является преобладающим компонентом в некоторых типах грунтовых и поверх­ностных вод с очень малой минерализацией, а также в термальных водах. Границей между пресной и минераль­ной водой считается содержание минеральных химиче­ских соединений в количестве 1 г/л.

Природные воды, содержащие соли, растворенные га­зы, органические вещества в более высоких концентра­циях, чем питьевая, называют минеральными. Некоторые из минеральных вод содержат биологически активные компоненты: СО₂, H₂S, некоторые соли (например, суль­фаты натрия и магния), соединения мышьяка, радио­активные элементы (например, радон) и др. Поэтому минеральные воды с давних пор использовали в качестве лечебного средства. В настоящее время минеральные воды делят на лечебные, лечебно-столовые и столо­вые.

Лечебные минеральные воды проявляют свое действие в одних случаях при наружном, а в других — при внут­реннем применении. Конечно, воды, пригодные для внут­реннего применения, иногда оказываются полезными и при наружном использовании. В качестве лечебных вод широко известны сероводородные (например, воды в районе курорта Мацеста), в качестве лечебно-столовой воды наиболее известна «Боржоми», а в качестве столовых вод — «Нарзан» и «Ессентуки № 20». В раз­личных районах нашей страны как столовые широко используют разные местные минеральные воды, напри­мер, в Санкт-Петербурге известна вода «Полюстрово». Перед разливом в бутылки столовые минеральные воды обычно дополнительно насыщают углекислым газом до концентрации 3—4 %.

Дистиллированная вода, полученная конденсацией пара, практически не содержит солей и растворенных газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.

Поскольку вода является очень хорошим растворите­лем, в природе она всегда содержит растворенные веще­ства, так как не существует абсолютно нерастворимых веществ. Их количество и характер зависят от состава пород, с которыми вода находилась в контакте.

Наименьшее количество примесей и растворенных ве­ществ содержится в дождевой воде. Однако даже она содержит растворенные газы, соли и твердые частицы. Соли, содержащиеся в дождевой воде, имеют свое происхождение из океанов и морей. Лопающиеся пузырь­ки на поверхности океанов выбрасывают в атмосферу довольно большое количество солей. Они захватываются потоками воздуха {особенно в штормовую погоду) и рас­пределяются в атмосфере. Твердый остаток, который образуется при испарении дождевой воды,— это частич­ки пыли, захваченные капельками дождя. Из 30 л дож­девой воды при испарении остается примерно 1 г сухого остатка. Растворенными газами являются как основные компоненты воздуха, так и загрязнения, встречающиеся в данном районе. Состав дождевых осадков над морем согласуется с правилом, согласно которому он идентичен тому, что получается при добавлении к 1 л дистиллиро­ванной воды 1,5 мл морской воды.

Получение высокочистой воды — весьма сложная за­дача. Поскольку она хранится в каком-то сосуде, в ней должны быть примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследо­ваний наиболее чистую воду получают методом ректи­фикации (перегонкой) дистиллированной воды во фторо­пластовых колоннах.

Основные запасы пресной воды на Земле сосредоточены в ледниках.

Влажность воздуха.

Важной характеристикой состоя­ния атмосферы является влажность воздуха или, что то же самое, степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражается отношением содержания водя­ных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Поэтому правильнее говорить не просто о влажности, а об относительной влажности. При насыщений воздуха водяными парами вода в нем больше не испаряется. Для человека наибо­лее благоприятная влажность воздуха 50 %. На влаж­ность, как и на многое другое, распространяется правило: слишком много и слишком мало — одинаково нехорошо. Действительно, при повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влаж­ности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при высокой влажности. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях умень­шается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следова­тельно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии человека.

Абсолютно сухого воздуха практически не бывает.

В 1913 г. английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочни­ках. Например, бензол начинает кипеть при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт — на 60, бром — на 59, а ртуть — без малого на 100°. Темпера­тура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашли удовлетворительного объяснения. В настоя­щее время известно, что тщательно высушенные газы NH₃ и HG1 не образуют хлорида аммония, а сухой NH₄C1 в газовой фазе не диссоциирует на NH₃ и НС1 при нагревании. Кислотный триоксид серы в сухих условиях не взаимодействует с основными оксидами СаО, BaO, CuO, а щелочные металлы не реагируют ни с без­водной серной кислотой, ни с безводными галоге­нами.

В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фос­фор горят при температуре, на много превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях.

Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот пере­ход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.

Ученые доказали, что вода в твердом состоянии имеет ажурное строение с полостями и пустотами. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, то он плавает на ней, а не опускается на дно. Это играет в природе очень важную роль. Если бы плотность льда была выше, чем воды, то, появившись на поверхности вследствие охлаждения воды холодным воздухом, он погружался бы на дно и в резуль­тате весь водоем должен был бы промерзнуть. Это катастрофически сказалось бы на жизни многих организмов водоемов.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного деления плавиться не при 0⁰С, а при более высокой температуре. Так, лед, полученный при замерзании воды, который находиться под давлением 20 000 атм., в обычных условиях плавиться только при 80⁰С.

Поваренная соль

Солевое голодание может привести к гибели организма. Суточная потребность в поваренной соли взрослого человека составляет 10-15 г. В условиях жаркого климата потребность в соли взрастает до 25-30 г.

Хлорид натрия нужен организму человека или животного не только для образования соляной кислоты в желудочном соке. Эта соль входит в тканевые жидкости и в состав крови. В последней ее концентрация равна 0,5—0,6 %.

Водные растворы NaCI в медицине используют в ка­честве кровезамещающих жидкостей после кровотечений и при явлениях шока. Уменьшение содержания NaCI в плазме крови приводит к нарушению обмена веществ в организме.

Не получая NaCI извне, организм отдает его из крови и тканей.

Хлорид натрия способствует задерживанию воды в организме, что, в свою очередь, приводит к повышению артериального давления. Поэтому при гипертонической болезни, ожирении, отеках врачи рекомендуют снижать суточное потребление поваренной соли. Избыток в орга­низме NaCI может вызвать острое отравление и привести к параличу нервной системы.

Организм человека быстро реагирует на нарушение солевого баланса появлением мышечной слабости, бы­строй утомляемостью, потерей аппетита, возникновением неутолимой жажды.

Поваренная соль обладает хотя и слабыми, но анти­септическими свойствами. Развитие гнилостных бактерий прекращается лишь при ее содержании в 10—45 %. Это свойство широко используют в пищевой промышлен­ности и при сохранении пищевых продуктов в домашних условиях.

При испарении морской воды при температурах 20— 35 °С вначале выделяются наименее растворимые соли — карбонаты кальция, магния и сульфат кальция. Затем выпадают более растворимые соли — сульфаты натрия и магния, хлориды натрия, калия, магния и после них сульфаты калия и магния. Порядок кристаллизации солей и состав образующихся осадков может несколько изменяться в зависимости от температуры, скорости испарения и других условий.

Поваренная соль, находящаяся на влажном воздухе, отсыревает. Чистый хлорид натрия — негигроскопичное вещество, т. е. не притягивает влагу. Гигроскопичны хлориды магния и кальция. Их примеси почти всегда содержатся в поваренной соли и благодаря им происходит погло­щение влаги.

В земной коре довольно часто встречаются пласты каменной соли. Поваренная соль является важнейшим сырьем химической промышленности. Из нее получают соду, хлор, хлороводородную кислоту, гидроксид натрия, металличе­ский натрий.

При изучении свойств почв ученые установили, что, будучи пропитанными хлоридом натрия, они не пропус­кают воду. Это открытие было использовано при строи­тельстве оросительных каналов и водоемов. Если дно водоема покрыть слоем земли, пропитанной NaCl, то утечки воды не происходит. Для этой цели, конечно, применяют техническую соль. Строители используют хло­рид натрия для устранения смерзания зимой земли и превращения ее в твердый камень. Для этого участки грунта, которые планируется вынимать, осенью густо посыпают NaCl. В этом случае в сильные морозы данные участки земли остаются мягкими.

Химики хорошо знают, что смешением мелкоизмельченного льда с поваренной солью можно получить эффек­тивную охлаждающую смесь. Например, смесь состава 30 г NaCl на 100 г льда охлаждается до температуры -20 С⁰ происходит потому, что водный раствор соли замерзает при отрицательных температурах. Следова­тельно, лед, имеющий температуру около 0°С, будет плавиться в таком растворе, отнимая теплоту от окру­жающей среды. Это свойство смеси льда и поварен­ной соли могут с успехом использовать также и домохозяйки.

Спички

Высекание искр при ударе камня о кусок пирита FeS₂ и поджигание ими обуглившихся кусков дерева или растительных волокон было способом получения огня человеком.

Поскольку способы получения огня были несовершен­ны и трудоемки, человеку приходилось постоянно под­держивать горящий источник огня. Для перенесения огня в Древнем Риме использовали деревянные палочки, обмакнутые в расплав серы.

Приспособления для получения огня, основанные на химических реакциях, начали делать в конце XVIII в. Вначале это были древесные лучинки, на кончике кото­рых в виде головки закреплялись хлорат калия (берто­летова соль КС1Оз) и сера. Головка погружалась в сер­ную кислоту, происходила вспышка и лучинка загора­лась. Человек был вынужден хранить и обращаться с небезопасной серной кислотой, что было крайне неудоб­но. Тем не менее это химическое «огниво» можно рас­сматривать как прародитель современных спичек.

В начале XIX в. немецкий химик Деберейнер изоб­рел более совершенное, но и более сложное огниво. Им было установлено, что струя водорода, направлен­ная на губчатую платину, воспламеняется на воздухе.

Губчатая платина играет роль катализатора. Для ис­пользования этого средства при получении огня в быту им был создан небольшой стеклянный прибор (по типу ранее изобретенного Киппом аппарата, носящего его имя). Водород получался приведением в контакт метал­лического цинка и серной кислоты. Таким образом, получение пламени и его тушение обеспечивалось пово­ротом крана, приводящего в контакт (или разделяю­щего) серную кислоту и цинк. Огниво Деберейнера можно считать прародителем современной газовой или бензиновой зажигалки.

В современной зажигалке воспламенение горючего производится под действием искры, получающейся от сгорания мельчайшей частицы «кремня», срезанной зуб­чатым колесиком. «Кремень» представляет собой смесь редкоземельных металлов (лантаноидов). В мелкораздробленном состоянии эта смесь пирофорна, т. е. само­воспламеняется на воздухе, образуя искру.

Однако более ранний пирофор изготавливали из смеси поташа К₂СО₃ и высушенных квасцов K₂SO₄ ? Al₂(SO₄)₃.К нему добавляли мелкодисперсный уголь или сажу и нагревали до каления без доступа воздуха. Порошок охлаждали и помещали в герметически закрытый сосуд, откуда он мог извлекаться по мере необходимости, Для добывания огня порошок высыпался на трут, вату или тряпки и уже в воздухе воспламенялся. Считают, что при прокаливании на оставшихся частичках угля образуется мелкодисперсный металлический калий, кото­рый, окисляясь на воздухе, и служит инициатором воспламенения.

Важнейшим этапом на пути к современным спичкам было введение в состав массы спичечной головки белого фосфора (1833). Такие спички легко зажигались от тре­ния о шероховатую поверхность. Однако при горении они создавали неприятный запах и главное, их произ­водство было весьма вредно для рабочих. Пары белого фосфора приводили к тяжелейшему заболеванию — фос­форному некрозу костей. Прежде всего некрозу подвер­гались кости челюстей людей, так как фосфор проникал через кариозные зубы.

В 1847 г. было установлено, что белый фосфор при нагревании в закрытом сосуде без доступа воздуха превращается в другую модификацию — красный фос­фор. Он гораздо менее летуч и практически не ядовит. Вскоре белый фосфор в головках спичек был заменен на красный. Такие спички зажигались лишь при трении о специальную поверхность из красного фосфора, клея и других веществ. Эти спички называли безопасными или шведскими, так как фабричным способом их впервые начади, изготавливать в Швеции в 1867—1869 гг.

Существует несколько разновидностей современных спичек. По назначению различают спички, зажигающие­ся в обычных условиях, влагоупорные (рассчитанные на зажигание после хранения во влажных условиях, например в тропиках), ветровые (зажигающиеся на ветру) и др.

В качестве основного сырья для изготовления спичеч­ной соломки с прошлого столетия используют главным образом осину и реже липу. Для этого с круглого очи­щенного от коры чурака специальным ножом по спирали снимается лента, которая затем рубится на спичечную соломку. При сгорании спички необходимо получить нетлеющий уголек от соломки и удержать на нем раска­ленный шлак от сгоревшей головки. Необходимость последнего обусловливается стремлением обезопасить потребителя от прожогов одежды при попадании раска­ленного шлака. Тлеющий уголек от соломки, естественно, представляет пожарную опасность. Для устранения тле­ния соломки и закрепления шлака от головки соломку пропитывают веществами, образующими на ее поверхности при горении пленку. Благодаря этой пленке прекра­щается сгорание угля. Она же закрепляет шлак от головки. В качестве противотлеющих веществ используют фосфорную кислоту и ее соль (NH₄)₂HPO₄.

За период более чем 150 лет было использовано большое количество рецептур зажигательных масс, из которых изготавливают головки спичек. Они являются сложными многокомпонентными системами. В них вхо­дят: окислители (КС1О₃, КгСг₂О₇, МпО₂), дающие кислород, необходимый для горения; горючие вещества (сера, животные и растительные клеи, сульфид фосфора P₄S₃); наполнители — вещества, предотвращающие взрывной характер горения головки (измельченное стек­ло, Fe₂Оз); склеивающие вещества (клеи), которые одно­временно являются и горючими; стабилизаторы кислот­ности (ZnO, СаСОз и др.); вещества, окрашивающие спичечную массу в определенный цвет (органические и неорганические красители).

По количеству кислорода, выделяемого на одну мас­совую часть, хромпик К₂Сr₂О₇ уступает бертолетовой соли КСlO₃, но зажигательные составы, содержащие первый окислитель, воспламеняются значительно легче. Кроме того, хромпик улучшает качество шлака.

Пиролюзит MnO₂ играет двойную роль: катализатора разложения бертолетовой соли и источника кислорода. Оксид железа (III) Fe₂O₃ также выполняет две функции. Он является минеральной краской (цвет ржавчины) и существенно уменьшает скорость горения массы, делая горение более спокойным.

Температура горения спичечных головок достигает 1500 ⁰C, а температура их воспламенения лежит в пределах 180 – 200 ⁰С.

Фосфорная (терочная) масса также является

Бумага и карандаши

Сохранились документы, указывающие на то, что в 105 г. н. э. министр китайского императора организовал производство бумаги из растений с добавками тряпья. Около 800.г. такая бумага получила широкое распро­странение в Китае, а также на Ближнем Востоке. Зна­комство с бумагой европейцев связано с крестовыми походами на Ближний Восток — в Сирию, Палестину, Северную Африку, организованными западно-европейскими феодалами и католической церковью (первый по­ход состоялся в 1096—1099 гг.). В эпоху раннего средне­вековья (до начала крестовых походов) для письма в Европе использовался главным образом папирус. В Ита­лии им пользовались еще в XII в.

Письменность же была известна в Египте и Месо­потамии с конца IV и начала III тысячелетия до н. э., т. е. задолго до изобретения бумаги. Как уже было отме­чено, основными предшественниками бумаги как мате­риала, на которое наносилось письмо, были папирус и пергамент.

Растение папирус (Cyperus papyrus) произрастает в Египте в болотистой местности около реки Нила. Сте­бель растения очищали от коры и луба и из белоснеж­ного материала нарезали тонкие полосы. Их укладывали слоями вдоль и поперек, а затем механическим давле­нием выжимали из них растительный сок. Этот сок сам обладает способностью склеивать полосы папируса. Позд­нее для скрепления полос стали применять клей, при­готовленный из невыделанных шкур или муки. После высушивания на солнце получающиеся листы шлифовали камнем или кожей. Папирус для письма стали изготов­лять около 4000 лет назад. Считают, что и название бумаги (papiera) происходит от слова папирус.

Пергамент — это невыделанная, но освобожденная от волос и обработанная известью звериная, овечья или козлиная кожа. Так же, как и папирус, пергамент — прочный и долговечный материал. Хотя бумага менее прочна и долговечна, она более дешева и потому более доступна для широкого использования.

Волокна целлюлозы в древесине связаны между собой лигнином. Для удаления лигнина и освобождения от него целлюлозы проводят варку древесины. Распростра­ненным способом варки является сульфитный. Он был разработан в США в 1866 г., а первый завод по данной технологии был построен в Швеции в 1874 г. Широкое промышленное значение способ получил с 1890 г По этому способу для отделения лигнина и некоторых других веществ, содержащихся в древесине, последняя варится в сульфитном щелоке, который состоит из Са(НSОз)₂, H₂SO₃ и SO₂.

Для обеспечения прочности соединения частиц пиг­ментов с бумагой-основой требуются связующие. Часто их роль выполняют вещества, обеспечивающие проклей­ку бумаги. В качестве минеральных пигментов широко используют каолин — землистую массу, близкую по составу к глинам, но по сравнению с последними характеризующуюся пониженной пластичностью и повы­шенной белизной. Одним из старейших наполнителей является карбонат кальция (мел), потому такие бумаги и назвали мелованными. К известным пигментам также относятся диоксид титана ТiO₂ и смесь гидроксида кальция Са(ОН)₂ (гашеной извести) и сульфата алюми­ния A1₂(SO₄)₃. Последний, по существу, является смесью сульфата кальция CaSO₄ и гидроксида алюминия А1(ОН)з, которые получаются в результате обменной реакции.

Для изготовления рабочей части графитового каран­даша готовят смесь графита и глины с добавкой не­большого количества гидрированного подсолнечного мас­ла. В зависимости от соотношения графита и глины получают грифель различной мягкости — чем больше графита, тем более мягкий грифель. Смесь перемеши­вают в шаровой мельнице в присутствии воды в течение 100 ч. Приготовленную массу пропускают через фильтр-прессы и получают плиты. Их подсушивают, а затем из них выдавливают на шприц-прессе стержень, который режут на части определенной длины. Стержни в спе­циальных приспособлениях высушивают и исправляют возникшую кривизну. Затем их обжигают при темпера­туре 1000—1100°С в шахтных тиглях.

В состав грифелей цветных карандашей входят као­лин, тальк, стеарин (широкому кругу людей он известен как материал для изготовления свечей) и стеарат кальция (кальциевое мыло). Стеарин и стеарат кальция являются пластификаторами. В качестве связывающего материала используют карбоксиметилцеллюлозу. Это клей, используемый для наклейки обоев. Здесь его также предварительно заливают водой для набухания. Кроме того, в грифели вводят соответствующие краси­тели, как правило, это органические вещества. Такую смесь перемешивают (вальцуют на специальных маши­нах) и получают в виде тонкой фольги. Ее измельчают и полученным порошком набивают пистолет, из которого и шприцуют смесь в виде стержней, которые режут на куски определенной длины и затем сушат. Для окраски поверхности цветных карандашей используют те же пиг­менты и лаки, которыми обычно окрашивают детские игрушки. Подготовку деревянной оснастки и ее обработ­ку проводят так же, как и для графитовых карандашей.

Стекло

История стекла уходит в глубо­кую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керами­ческих изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее ко­личество загрязнений не превышает 2—3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в нич­тожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na₂CO₃, то удается сварить стекло при более низкой температуре.(на 200—300°). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характе­ризуются одной и той же химической формулой — СаСО₃.

Стекло, исходными компонентами шихты которого яв­ляется кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90 % получае­мого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с урав­нениями:

Na₂CO₃ ? Na₂O + CO₂

СаСОз ? СаО + СО₂

В результате в состав стекла входят оксиды SiO₂, Na₂O и СаО. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.

В стекло вместо Na₂O с успехом можно вводить К₂О, а СаО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Аl₂О₃, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечис­ленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их коли­чеством, получают стекла с заданными свойствами. Напри­мер, оксид борной кислоты В₂О₃ приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увели­чивают растворимость стекла в воде, поэтому для хими­ческой посуды используют стекло с малым их содержа­нием.

Окраску стекла осуществляют введением в него окси­дов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соответственно. Серебро в коллоидном состоянии окра­шивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS • 3CdSe — в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта(II) в малых количе­ствах дает голубое стекло, а в больших — фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом — зеленый. Оксид марганца (II) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом — сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.

Существуют химические и физические способы обес­цвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe³⁺. Для этого в шихту вводят окислители — нитраты щелочных металлов, шиоксид церия СеО₂, а также оксид мышьяка (III) AS₂O₃ и оксид сурьмы(III) Sb₂O₃. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe³⁺) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, — это оксиды никеля, ко­бальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диок­сид марганца MnO₂ обладает свойствами как химиче­ского, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцвет­ным, но его светопропускание понижается. Таким обра­зом, следует различать светопрозрачные и обесцвечен­ные стекла, поскольку эти понятия различны.

В некоторых дворцах, парадных зданиях и культовых сооружениях в Европе в мелкие ячейки в оконных прое­мах вставляли пластинки слюды, которые ценились очень дорого. В домах простых людей для этой цели использо­вались бычий пузырь и промасленная бумага или ткань. В середине XVI в. даже во дворцах французских королей окна закрывались промасленным полотном или бумагой. Лишь в середине XVII в. при Людовике XIV в окнах его дворца появилось стекло в виде маленьких квадра­тиков, вставленных в свинцовый переплет. Листовое стек­ло большой площади долго не умели получать. Поэтому даже в XVIII в. застекленные окна имели мелкий пере­плет. Обратите внимание на реставрированные здания петровской эпохи, например на Меньшиковский дворец в Санкт-Петербурге. Однако вернемся к истокам производ­ства оконного стекла.

В конце средневекового периода в Европе начали широко применять «лунный» способ изготовления листо­вого стекла. В его основу также был положен метод выдувания. При этом способе вначале выдувался шар, затем он сплющивался, к его дну припаивалась ось, а около выдувательной трубки заготовка обрезалась. В результате получалось подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскаленная «ваза» вращалась с большой скоростью вокруг оси и под действием центробежной силы превращалась в плоский диск. Толщина такого диска была 2—3 мм, а диаметр доходил до 1,5 м. Далее диск отделялся от оси и отжигался. Такое стекло было гладким и прозрачным. Характерная его особенность — наличие в центре диска утолщения, которое специалисты называют «пупком». Лунный способ производства сделал листовое стекло доступным для населения. Однако на смену ему уже в начале XVIII в. пришел другой более совершенный «халявный» способ, который использовался во всем мире почти в течение двух столетий. По сущест­ву, это было усовершенствование средневекового способа выдувания, в результате которого получался цилиндр. «Халявой» называли формируемую массу стекла на кон­це выдувной трубки. Она доходила до 15—20 кг и из нее в итоге получались листы стекла площадью до 2—2,5 м².

Мелкие стеклянные изделия делают матовыми обра­боткой фтороводородной (плавиковой) кислотой. Послед­няя взаимодействует с диоксидом кремния, находящимся на поверхности, с образованием летучего тетрафторида кремния SiF₄ в соответствии с уравнением

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

Фотохромные стекла изменяют окраску под действием излучения. В настоящее время получили распростра­нение очки со стеклами, которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транс­порте. Фотохромные стекла содержат оксид бора В₂О₃, а светочувствительным компонентом является хлорид се­ребра AgCl в присутствии оксида меди(I) Cu₂O. При освещении происходит процесс

Выделение атомарного серебра приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направ­лении. Оксид меди(I) играет роль своеобразного ката­лизатора.

Хрусталь, хрустальное стекло — это силикатное стек­ло, содержащее различное количество оксида свинца. Часто на маркировке изделия указывается содержание свинца. Чем больше его количество, тем выше качество хрусталя. Хрусталь характеризуется высокой прозрач­ностью, хорошим блеском и большой плотностью. Изде­лия из хрусталя в руке чувствуются по массе.

Строго хрусталем называют свинцово-калиевое стек­ло. Хрустальное стекло, в котором часть КгО заменена на Na₂O, а часть РbО заменена на CaO, MgO, BaO или ZnO, называют полухрусталем.

Считают, что хрусталь был открыт в Англии в XVII столетии.

Кварцевое стекло. Его получают плавлением чистого кварцевого песка или горного хрусталя, имеющих состав SiO₂. Для изготовления кварцевого стекла требуется очень высокая температура (выше 1700 °С).

Расплавленный кварц обладает высокой вязкостью и из него трудно удаляются пузырьки воздуха. Поэтому кварцевое стекло часто легко узнается по заключенным в нем пузырькам. Важнейшим свойством кварцевого стекла является способность выдерживать любые темпе­ратурные скачки. Например, кварцевые трубы диаметром 10—30 мм выдерживают многократное нагревание до 800—900 °С и охлаждение в воде. Брусья из кварцевого стекла, охлаждаемые с одной стороны, сохраняют на противоположной стороне температуру 1500 °С и потому используются в качестве огнеупоров. Тонкостенные изделия из кварцевого стекла выдерживают резкое охлажде­ние на воздухе от температуры выше 1300 °С и потому с успехом используются для высокоинтенсивных источни­ков света. Кварцевое стекло из всех стекол наиболее прозрачно для ультрафиолетовых лучей. На этой проз­рачности отрицательно сказываются примеси оксидов ме­таллов и особенно железа. Поэтому для производства кварцевого стекла, идущего на изделия для работы с ультрафиолетовым излучением, предъявляются особо жесткие требования к чистоте сырья. В особо ответ­ственных случаях кремнезем очищается переводом в тетрафторид кремния SiF₄ (действием плавиковой кислоты) с последующим разложением водой на диоксид кремния SiO₂ и фтороводород HF.

Кварцевое стекло прозрачно и в инфракрасной об­ласти.

Ситаллы — стеклокристаллические материалы, полу­чаемые регулируемой кристаллизацией стекла. Стекло, как известно, — это твердый аморфный материал. Его самопроизвольная кристаллизация в прошлом приносила убытки на производстве. Обычно стекломасса довольно стабильна и не кристаллизуется. Однако при повторном нагревании изделия из стекла до определенной температу­ры стабильность стекломассы снижается и она переходит в тонкозернистый кристаллический материал. Технологи научились проводить процесс кристаллизации стекла, исключая что растрескивание.

Ситаллы обладают высокой механической прочностью и термостойкостью, водоустойчивы и газонепроницаемы, характеризуются низким коэффициентом расширения, высокой диэлектрической проницаемостью и низкими ди­электрическими потерями. Они применяются для изготов­ления трубопроводов, химических реакторов, деталей насосов, фильер для формования синтетических волокон, в качестве футеровки электролизных ванн и материала для инфракрасной оптики, в электротехнической и элект­ронной промышленности.

Прочность, легкость и огнестойкость обусловили при­менение ситаллов в жилищном и промышленном строи­тельстве. Из них изготавливают навесные самонесущие панели наружных стен зданий, перегородки, плиты и блоки для внутренней облицовки стен, мощения дорог и тротуаров, оконные коробки, ограждения балконов, лестничные марши, волнистую кровлю, санитарно-техническое оборудование. В быту с ситаллами чаще встре­чаются в виде белой непрозрачной жаростойкой кухон­ной посуды. Установлено, что ситаллы выдерживают около 600 резких тепловых смен. Изделия из ситаллов не царапаются и не прогорают. Их можно снять с плиты в раскаленном до красна состоянии и опустить в ледяную воду, извлечь из холодильника и поставить на открытое пламя, не опасаясь растрескивания или разрушения.

Ситаллы — один из видов стеклокристаллических ма­териалов, которые ведут свою историю всего лишь с 50-х годов текущего столетия, когда был выдан на них первый патент.

Пеностекло — пористый материал, представляющий собой стеклянную массу, пронизанную многочисленными

пустотами. Оно обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, небольшой плотностью (примерно в 10 раз легче кирпича) и высокой прочностью, сравнимой с бетоном. Пеностекло не тонет в воде и потому используется для изготовления понтонных мостов и спасательных принадлежностей. Однако его главная область примене­ния — строительство. Пеностекло является исключи­тельно эффективным материалом для заполнения внут­ренних и наружных стен зданий. Оно легко поддается механической обработке: пилением, резанием, сверле­нием и обтачиванию на токарном станке.

Стеклянная вата и волокно. При нагревании стекло размягчается и легко вытягивается в тонкие и длинные нити. Тонкие стеклянные нити не имеют и признаков хрупкости. Их характерным свойством является чрезвы­чайно высокое удельное сопротивление разрыву. Нить диаметром 3—5 мкм имеет сопротивление на разрыв 200—400 кг/мм², т. е. приближается по этой характе­ристике к мягкой стали. Из нитей изготавливают стекло­вату, стекловолокно и стеклоткани. Не трудно догадаться об областях использования этих материалов. Стекловата обладает прекрасными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Ткани, изготовленные из стеклянного волок­на, обладают чрезвычайно высокой химической стойко­стью. Поэтому их применяют в химической промышлен­ности в качестве фильтров кислот, щелочей и химически активных газов. Вследствие хорошей огнестойкости стеклоткани применяют для пошива одежды пожарных и электросварщиков, театральных занавесей, драпировок, ковров и т. п. Стеклоткани кроме огнестойкости и химической стойкости обладают также высокими электроизо­ляционными

Посуда из стекла. Качество посуды зависит от соста­ва стекла, способа ее выработки и характера декора­тивной обработки. Самым дешевым стеклом является

кальциево-натриевое. Для посуды улучшенного качества используют кальциево-натриево-калиевое стекло, а для посуды высших сортов — кальциево-калиевое. Самые лучшие сорта посуды изготавливают из хрусталя.

Посудные изделия вырабатывают выдуванием или прессованием. Выдувание, в свою очередь, бывает ма­шинным и ручным. Способ выработки, естественно, отражается на качестве посуды. Сложные по форме и художественные изделия изготавливают только ручным способом. Прессованные изделия легко отличаются от выдутых характерными мелкими неровностями на поверх­ности, в том числе и на внутренней. На выдутых изделиях они отсутствуют.

Мыла и моющие средства

Мыло было известно человеку до новой эры летоисчисления. Ученые не располагают информацией о начале приготов­ления мыла в арабских странах и Китае. Самое раннее письменное упоминание о мыле в европейских странах встречается у римского писателя и ученого Плиния Старшего (23—79 гг.). В трактате «Естественная исто­рия» (в 37 томах), который, по существу, был энцикло­педией естественно-научных знаний античности, Плиний писал о способах приготовления мыла омылением жиров. Мало того, он писал о твердом и мягком мыле, полу­чаемом с использованием соды и поташа соответственно. Раньше для стирки одежды использовали щелок, полу­чающийся от обработки золы водой. Скорее всего это было до того, как стало известно, что зола от сжигания топлива растительного происхождения содержит по­таш.

Несмотря на то что в конце эпохи средневековья в разных странах существовала довольно развитая мыловаренная промышленность, химическая сущность процессов, конечно, была не ясна. Лишь на рубеже XVIII и XIX вв. была выяснена химическая природа жиров и внесена ясность в реакцию их омыле­ния. В 1779 г. шведский химик Шееле показал, что при взаимодействии оливкового масла с оксидом свинца и водой образуется сладкое и растворимое в воде вещество. Решающий шаг на пути изучения химиче­ской природы жиров был сделан французским хими­ком Шеврелем. Он открыл стеариновую, пальмитино­вую и олеиновую кислоты, как продукты разложения жиров при их омылении водой и щелочами. Сладкое вещество, полученное Шееле, было Шеврелем названо глицерином. Сорок лет спустя Бертло установил приро­ду глицерина и объяснил химическое строение жиров. Глицерин — трехатомный спирт. Жиры — сложные эфиры глицерина (глицериды) тяжелых одноосновных карбоновых кислот, преимущественно пальмитиновой СНз(СН₂)₁₄СООН, стеариновой СН₃(СН₂)₁₆COOH и оле­иновой СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН. Их формулу и реакцию гидролиза можно описать следующим об­разом:

CH₂OOCR¹ R¹COONa CH₂OH

| |

CHOOCR² + 3NaOH?R²COONa + СНОН

| |

CH₂OOCR³ R³COONa CH₂OH

жир соли глице-

кислот рин

В состав различных жиров входят в различных соотно­шениях пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и другие кислоты. В растительных (жидких) жирах преобладают непредельные кислоты (содержащие этиленовые связи), а в животных (твердых) —- предельные кислоты, т. е. не содержащие двойных связей. Потребности в твердых животных жирах большие, чем в растительных. Поэтому жидкие растительные жиры переводят в твердые ката­литической гидрогенизацией. В этом процессе остатки непредельных кислот в глицеридах превращаются (при­соединением водорода) в остатки предельных кислот. Например,

Именно так получают кулинарные жиры, масло для обжаривания, салатное масло, а также жиры, идущие на производство маргарина. Гидрированные жиры назы­вают саломаслами (сало из масла).

Если попытаться дать определение, то мытьем можно назвать очистку загрязненной поверхности жидкостью, содержащей моющее вещество или систему моющих веществ. В качестве жидкости в быту используют глав­ным образом воду. Хорошая моющая система должна выполнять двойную функцию: удалять загрязнение с очи­щаемой поверхности и переводить его в водный раствор. Значит, моющее средство также должно обладать двой­ной функцией: способностью взаимодействовать с загряз­няющим веществом и переводить его в воду или водный раствор. Следовательно, молекула моющего вещества должна иметь гидрофобную и гидрофильную части. Фобос по-гречески означает страх, боязнь. Значит, гидрофобность означает боящийся, избегающий воду. Филео — по-гречески — люблю, а гидрофильность — лю­бящий, удерживающий воду. Гидрофобная часть молеку­лы моющего вещества обладает способностью взаимо­действовать с поверхностью гидрофобного загрязняю­щего вещества. Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединен­ную к гидрофобному концу.

В производстве мыла давно используют канифоль, которую получают при переработке живицы хвойных деревьев. Канифоль состоит из смеси смоляных кислот, содержащих в цепи около 20 углеродных атомов. В ре­цептуру хозяйственного мыла обычно вводят 12—15 % канифоли от массы жирных кислот, а в рецептуру туалет­ных мыл — не более 10 %. Введение канифоли в больших количествах делает мыло мягким и липким.

Процесс производства мыла состоит из химической и механической стадий. На первой стадии (варка мыла) получают водный раствор солей натрия (реже калия) жирных кислот или их заменителей (нафтеновых, смоля­ных). На второй стадии проводят механическую обра­ботку этих солей — охлаждение, сушку, смешивание с различными добавками, отделку и упаковку.

Варку мыла заканчивают обработкой мыльного раст­вора (мыльного клея) избытком щелочи (NaOH) или раствором NaCl. В результате этого на поверхность раствора всплывает концентрированный слой мыла, на­зываемый ядром. Полученное таким образом мыло назы­вают ядровым, а процесс его выделения из раствора — отсолкой или высаливанием. При высаливании происхо­дит повышение концентрации мыла и его очистка от белковых, красящих и механических примесей — так по­лучают хозяйственное мыло.

Особое место среди наполнителей занимает сапонин, получаемый выщелачиванием некоторых растений и прежде всего мыльного корня. Он хорошо растворяется в воде и его растворы сильно пенятся. Поэтому сапонин используют для улучшения пенообразования и приме­няют для дорогих сортов мыл.

Кроме использования мыла в качестве моющего сред­ства оно широко применяется при отделке тканей, в про­изводстве косметических средств, для изготовления поли­ровочных составов и водоэмульсионных красок. Имеется и не столь безобидное его применение. Алюминиевое мыло (алюминиевые соли смеси жирных и нафтеновых кислот) применяют в США для получения некоторых видов напалма — самовоспламеняющегося состава, ис­пользуемого в огнеметах и зажигательных авиабомбах. Само слово напалм происходит от начальных слогов нафтеновой и пальмитиновой кислот. Состав напалма довольно простой — это бензин, загущенный алюминие­вым мылом.

В настоящее время химическая промышленность вы­пускает большое количество различных синтетических моющих средств (стиральных порошков). Наибольшее практическое значение имеют соединения, содержащие насыщенную углеводородную цепь из 10—15 атомов углерода, так или иначе связанную с сульфатной или сульфонатной группой, например

Производство синтетических моющих средств основано на дешевой сырьевой базе, а точнее на продуктах переработки нефти и газа. Они, как правило, не образуют малорастворимых в воде солей кальция и магния.

Следовательно, многие из синтетических моющих средств одинаково хорошо моют как в мягкой, так и в жесткой воде. Некоторые средства пригодны даже для стирки в морской воде. Синтетические моющие средства действуют не только в горячей воде, как это характерно для хозяйственного мыла, но и в воде при сравнительно низких температурах, что важно при стирке тканей из искусственных волокон. Наконец, концентрация синтети­ческих моющих веществ даже в мягкой воде может быть гораздо ниже, чем мыла, полученного из жиров. Синте­тические моющие средства обычно представляют доволь­но сложную композицию, поскольку в них входят раз­личные добавки: оптические отбеливатели, химические отбеливатели, ферменты, пенообразователи, смягчители.

Химические средства гигиены и косметики

Слово гигиена происходит от греч. гигиенос, что означает целеб­ный, приносящий здоровье, а косметика — от греч., означающее искусство украшать.

Одним из путей профилактики кариеса является очистка зубов и полоскание ротовой полости после приема пищи. Это приводит к предотвращению образования мягкого налета и зубного камня.

Трудно сказать, когда люди начали чистить зубы, но имеются сведения, что одним из древнейших препаратов для чистки зубов была табачная зола.

Важнейшим средством ухода за зубами являются зуб­ные пасты. Они имеют меньшую истирающую способ­ность по сравнению с порошками, более удобны в приме­нении и характеризуются более высокой эффективностью. Зубные пасты — это многокомпонентные составы. Они подразделяются на гигиенические и лечебно-профилакти­ческие. Первые оказывают только очищающее и осве­жающее действие, а вторые, кроме того, служат для про­филактики заболеваний и способствуют лечению зубов и полости рта.

Основные компоненты зубной пасты следующие: абра­зивные, связующие, загустители, пенообразующие. Абра­зивные вещества обеспечивают механическую очистку зу­ба от налетов и его полировку. В качестве абразивов чаще всего применяют химически осажденный мел СаСО₃. Установлено, что компоненты зубной пасты спо­собны влиять на минеральную составляющую зуба и, в частности, на эмаль. Поэтому в качестве абразивов стали применять фосфаты кальция: СаНРО₄, Са₃(РО₄)₂, Са₂Р₂О₇, а также малорастворимый полимерный мета-фосфат натрия (NaРОз). Кроме того, в качестве абрази­вов в различных сортах паст применяют оксид и гидроксид алюминия, диоксид кремния, силикат циркония, а также некоторые органические полимерные вещества, например метилметакрилат натрия. На практике часто используют не одно абразивное вещество, а их смесь.

Из синтетических ве­ществ широкое применение нашли производные клетчат­ки (хлопковой и древесной) — натрийкарбоксиметилцеллюлоза, оксиэтилированные этиловый и метиловый эфиры целлюлозы или просто этиловый и метиловый эфиры целлюлозы.

Борьбу с кариесом при помощи лечебно-профилакти­ческих зубных паст ведут по двум направлениям: 1) ук­репление минеральной ткани зуба; 2) предупреждение образования зубного налета. Первое достигается введе­нием в пасты соединений фтора: монофторфосфата натрия, формулу которого условно можно записать в виде двойной соли NaF?NaPO₃, а также фторида нат­рия NaF и фторида олова (II) SnF₂. Существуют две точки зрения на влияние фторидных ионов на укрепление эмали зуба. 1. Ионы F переводят гидроксидапатит эмали СаОН(РО₄)з в менее растворимый в кислотах фто-рапатит Ca₅F(PO₄)з. 2. В результате обменной реакции в пасте образуется CaF₂, который адсорбируется на гидроксидапатите и предохраняет его от воздействия кислот. Известно также, что фторидные соединения спо­собствуют подавлению жизнедеятельности бактерий, вы­зывающих образование в полости рта органических кис­лот. В настоящее время в антикариесных пастах стали широко использовать ферменты, а иногда в них вводят антибиотики.

Дезодоранты и озоновый «щит» планеты.

Дезодоранты — это средства, устраняющие неприятный запах пота. На чем основано их действие? Пот выделяется особыми железами, расположенными в коже на глубине 1—3 мм. У здоровых людей на 98—99 % он состоит из воды. С потом из организма выводятся продукты метаболизма: мочевина, мочевая кислота, ам­миак, некоторые аминокислоты, жирные кислоты, холе­стерин, в следовых количествах белки, стероидные гормо­ны и др. Из минеральных компонентов в состав пота входят ионы натрия, кальция, магния, меди, марганца, железа, а также хлоридные и иодидные анионы. Неприят­ный запах пота связан с бактериальным расщеплением его составляющих или с окислением их кислородом воздуха. Дезодоранты (косметические средства от пота) бывают двух типов. Одни тормозят разложение выводи­мых с потом продуктов метаболизма путем инактивации микроорганизмов или предотвращением окисления продуктов потовыделения. Действие второй группы дезодо­рантов основано на частичном подавлении процессов потовыделения. Такие средства называют антиперспиранами. Этими свойствами обладают соли алюминия, цин­ка, циркония, свинца, хрома, железа, висмута, а также формальдегид, таннины, этиловый спирт. На практике из солей в качестве антиперспиранов чаще всего исполь­зуют соединения алюминия. Перечисленные вещества взаимодействуют с компонентами пота, образуя нерастворимые соединения, которые закрывают каналы потовых желез и тем самым уменьшают потовыделение. В оба ти­па дезодорантов вводят отдушки.

Концентрация озона в атмосфере зависит от содержания оксидов азота и фторхлорметанов. Оксиды азота постоянно присутствуют в низких концентрациях в результате фотохимического взаимодействия азота и кислорода. Оксид азота (II) разрушает озон, а оксид азота (IV) связывает атомарный кислород в соответствии с уравнениями

О₃ + NO ? NO₂ + О₂

NO₂ + O ? NO + О₂

Оз + О ? 2О₂

Таким образом, оксиды азота играют роль катализаторов в разложении озона.

За 4,6 млрд. лет существования нашей планеты установилось равновесие, и жизнь на Земле возникла и развилась при определенном равновесном составе атмосферы. Однако интенсивное развитие сверхзвуковой авиации начинает оказывать влияние на создавшееся в атмосфере равновесие. Поскольку сверхзвуковые самолеты предназначены для полетов в стратосфере, верхний предел которой подходит к «озоновому» слою, то появляется опасность влияния сверхзвуковой техники на этот слой. При сгорании топлива в двигателях самолетов в довольно больших количествах образуются оксиды азота.

Другим источником опасности озоновому слою являются фторхлорметаны (главным образом CF₂CI₂ и CFCl₃). Эти вещества широко используют в баллонах в аэрозольной упаковке, а также в качестве хладоагентов в промышленных и бытовых холодильниках.

Косметические средства.

В мире считается, что среди наиболее прибыльных отраслей промышленности на од­ном из первых мест стоит косметическая. Наблюдения показывают, что если нужно, то женщины могут отказать себе во многом, только не в том, что сделает их хотя бы чуточку красивее.

Искусство косметики уходит в далекое прошлое. Так, при раскопках найдены египетские мумии, ногти которых раскрашены. В усыпальницах египетских пирамид обнаружены натуральные краски и косметические инструменты, различные плитки для приготовления смеси красок и румян, сосуды для хранения мазей и масел. Найден письменный документ — папирус Эберса, в котором изложены косметические правила и рецепты. Его написание относят к пятому тысячелетию до новой эры.

Древние рукописи свидетельствуют, что уже тысячи лет назад женщины Востока подкрашивали веки в голубой цвет тончайшей пыльцой из толченой бирюзы. Бирюза — это природный минерал, имеющий состав СuА1₆(РО₄)₄(ОН)₈?4Н₂О.

С незапамятных времен для подкрашивания бровей использовался мягкий природный минерал — сурьмяный блеск Sb₂S₃. В русском языке было выражение «сурьмить брови». Сурьмяный блеск поставлялся в различные страны арабами, которые называли его стиби. От этого назва­ния и пошло латинское стибиум, означавшее в древности не химический элемент, а его сульфид Sb₂S₃. Природный сурьмяный блеск имеет цвет от серого до черного с синей или радужной побежалостью.

Достоверно известно, что в России косметические краски применялись в конце XVI и особенно широко в XVII в.

Промышленность выпускает перламутровые губные помады и кремы, а также шампуни с перламутровыми блесками. Перламутровый эффект в косметических средствах создается солями висмутила ВiOСl и BiO(NO₃) или титанированной слюдой — перламутровым порошком, содержащим около 40 % ТiO₂. Давно известны жемчужные или испанские белила. Их основным компонентом является BiO(NO₃)₂, образующийся при растворении нитрата висмута Bi(NO₃)з в воде. В косметике эти белила используют для приготовления белого грима.

Для создания специальных косметических средств (гримов) применяют оксид цинка ZnO, получаемый прокаливанием основного карбоната (ZnOH)₂CO₃. В медицине его используют в присыпках (в качестве вяжущего, подсушивающего, дезинфицирующего средства) и для изготовления мазей.

Косметические декоративные пудры — многокомпо­нентные смеси. В них входят: тальк, каолин, ZnO, TiO₂, MgCO₃, крахмал, цинковые и магниевые соли стеариновой кислоты, а также органические и неорганические пигменты, в частности Fe₂O₃. Тальк придает пудре сыпучесть и скользящий эффект. Его недостатком является способность впитываться в кожу и придавать жирный блеск. Тем не менее, в состав пудр он входит в количестве до 50—80 %. Каолин обладает высокой укрывистостью и способностью впитывать избыток жировых выделений кожи. Его повышенная гигроскопичность способствует слеживаемости и неравномерному распределению пудры на коже, поэтому каолин вводят не более 25 %. Оксиды цинка и титана обладают хорошей укрывистостью. Кроме того, оксид цинка обладает антисептическими свойствами и потому одновременно выполняет роль дезинфицирующей добавки. Эти оксиды вводят в пудры до 15 %. В больших количествах они приводят к сухости кожи. Крахмал придает коже бархатистость, а благодаря стеаратам цинка и магния пудра хорошо удерживается на коже и делает ее гладкой.

Компактная пудра в отличие от рассыпной содержит связующие добавки: натрийкарбоксиметилцеллюлозу, высшие жирные кислоты, воски, многоатомные спирты и их эфиры, минеральные и растительные масла. Они позволяют получать при прессовании брикеты определенной формы, которые сохраняют прочность при длительном употреблении.

В быту в качестве дезинфицирующего и отбеливающего средства широко используют растворы (3, 6, 10 %-ные) пероксида водорода. Более концентрированный — 30%-ный раствор пероксида водорода — называют пергидролем, Пероксид водорода — неустойчивое (особенно на свету) химическое соединение. Оно разлагается на воду и кислород:

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂

В момент образования кислород находится в атомарном состоянии и лишь затем переходит в молекулярный:

2О = О₂

Атомарный кислород обладает особенно сильным окислительным свойством. Благодаря ему растворы пероксида водорода разрушают красящие вещества и отбеливают ткани из хлопчатобумажных и шерстяных тканей, шелк, перья, волосы. Способность пероксида водорода обесцвечивать волосы используют в косметике. Она основана на взаимодействии атомарного кислорода с красящим веществом волос меланином — смесью сложных органических веществ. При окислении меланин переходит в бесцветное соединение. Следует помнить, что пергидроль вызывает ожоги кожи и слизистых оболочек.

В настоящее время для окраски волос имеется большой ассортимент различных органических красителей.

Иногда же для этой цели применяют соли серебра, меди, никеля, кобальта, железа. В таком случае крашение волос осуществляют при помощи двух растворов. Один из них содержит соли данных металлов: нитраты, цитраты, сульфаты или хлориды, а второй — восстановители: пирогаллол, таннин и др. При смешении этих растворов ионы металлов восстанавливаются до атомов, которые и осаждаются на поверхности волос.

Наиболее распространенный лак для ногтей представляет раствор нитроцеллюлозы в органических растворителях. Нитроцеллюлозу получают нитрованием целлюлозы (хлопковой или древесной) смесью азотной и серной кислот. Она является сложным эфиром азотной кислоты и характеризуется общей формулой [С₆Н₇О₂(ОН)_3-X(ОNO₂)_X]_N. В качестве растворителей используют амиловый эфир уксусной кислоты, ацетон, различные спирты, этиловый эфир, а также их смеси. В лак добавляют пластификаторы — касторовое масло или другие экстракты, которые препятствуют обезжириванию ногтей и предохраняют их ломкость.

Химия в земледелии

Земля как планета солнечной системы существует около 4,6 млрд. лет. Считают, что жизнь на ней зародилась 800—1000 тыс. лет назад. Ученые обнаружили следы деятельности первобытного человека, возраст которых оценивается 600—700 тыс. лет. Эра земледелия насчитывает всего лишь 17 тыс. лет.

За многомиллионные эпохи вода, воздух, а затем и живые организмы разрушали и измельчали каменные породы земной коры. Отмирая, живые организмы образовывали перегной или, как его называют ученые, гумус. Он смешивался с измельченной породой, склеивал и цементировал ее. Так зарождалась почва на нашей планете. Первая почва послужила основой развития последующих более крупных растений, которые, в свою очередь, способствовали новому ускоренному образованию гумуса. Еще с большим ускорением процесс почвообразования стал протекать с появлением животных, особенно населявших почвенный слой. Превращению органического вещества в гумус способствовали различного рода бактерии. Образование и распад органических веществ в почве считается главной причиной почвообразования.

Таким образом, почва состоит из минеральной и органической (гумуса) частей. Минеральная часть составляет от 90 до 99 % и более от всей массы почвы. В ее состав входят почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева

Почва как ионообменник из катионов «заряжена» главным образом ионами кальция Са²⁺, в меньшей мере — магния Mg²⁺ и еще в меньшей мере ионами аммония NH, натрия Na⁺ и калия К⁺. Ионы кальция Са²⁺ и магния Mg²⁺ способствуют поддержанию прочной струк­туры почвы. Под структурностью почвы работники сельского хозяйства понимают ее способность распадаться на отдельные комочки. Ионы К⁺ или NH и особенно Na⁺, напротив, способствуют разрушению структурных агрегатов почвы и усиливают вымывание гумуса и минеральных веществ. Во влажном состоянии такая почва становится липкой, а в сухом — превращается в глыбы, не поддающиеся обработке (солонец). Вытекающая из такой почвы вода имеет цвет чайного настоя, что указывает на потерю гумуса.

Важное значение играет химическое связывание почвой анионов некоторых кислот. Нитратные NO и хлоридные Сl анионы не дают малорастворимых соединений с катионами, обычно содержащимися в почве.

Напротив, анионы фосфорной, угольной, серной кислот образуют с ионами кальция малорастворимые соединения. Это и обусловливает химическую поглотительную способность почв.

Навоз.

В навозе в среднем содержится 0,5 % связанного в химические соединения азота, 0,25 % фосфора и 0,6 % калия. Содержание этих питательных элементов зависит от вида скота, характера скармливаемых кормов, от вида подстилки и других факторов. Кроме азота, фосфора и калия навоз содержит все элементы, включая и микроэлементы, необходимые для жизни растений. В качестве подстилки используют солому, опилки, но наилучшей считается торф. Подстилка позволяет лучше сохранять в навозе питательные вещества.

Минеральные удобрения.

В мире минеральные удобрения начали применять сравнительно недавно. Инициатором и активным поборником их использования в земледелии был немецкий химик Юстус Либих. В 1840 г. он выпустил в свет книгу «Химия в приложении к земледелию». В 1841г. по его почину в Англии была построена первая суперфосфатная установка. Калийные удобрения начали производить в 70-х годах прошлого века. Минеральный азот в то время поставлялся в почву с чилийской селитрой. Следует отметить, что в настоящее время считают рациональным вносить в почву фосфорные, калийные и азотные удобрения в отношении питательных веществ, примерно равном 1:1,5:3.

Азотсодержащие минеральные удобрения подразделяют на аммиачные, нитратные и амидные. К первой группе относится сам аммиак NНз (безводный и водные растворы) и его соли — прежде всего сульфат (NH₄)₂SO₄ и хлорид аммония NH₄CI. Ко второй группе селитры: натриевая NaNO₃, калиевая KNO₃ и кальциевая Ca(NO₃)₂. Промышленностью также выпускаются аммиачно-нитратные удобрения, например аммиачная селитра NH₄NO₃. К амидным удобрениям относятся цианамид кальция СаСN₂ и мочевина (карбамид) NH₂CONH₂. Для уменьшения пыления цианамида кальция часто к нему добавляют до 3 % нефтяных масел. В результате такое удобрение имеет запах керосина. Цианамид кальция при гидролизе дает аммиак и карбонат кальция:

СаСN₂ + 3H₂O = СаСОз + 2NH₃

Природа создала много кладовых фосфорного сырья, в том числе и в нашей стране. Эти кладовые состоят из апатитов и фосфоритов. В группе минералов под общим названием апатиты наиболее распространены фосфаты состава Са₅Х(РО₄)з, где X = F, Cl, ОН. Соответствующие минералы называют фторапатитом, хлорапатитом, гидроксидапатитом. Наиболее распространен фторапатит. Апатиты входят в состав изверженных магматических пород. Осадочные породы, в которых содержится апатит с включениями частичек посторонних минералов (кварца, кальцита, глины и др.), называют фосфоритами.

В организме растений калий регулирует процесс дыхания, способствует усвоению азота и повышает накопление белков и Сахаров в растениях. Для зерновых культур калий увеличивает прочность соломы, а у льна и конопли повышает прочность волокна. Калий повышает стойкость озимых хлебов к морозам и к перезимовке и овощных культур к ранним осенним заморозкам. Недостаток калия у растений проявляется на листьях. Их края приобретают желтую и темно-коричневую окраску с красными крапинками.

Другие макроэлементы, входящие в питательные вещества.

Как уже было отмечено, почвы быстрее всего истощаются азотом, фосфором и калием. Кроме них растениям необходимы в довольно больших количествах и другие химические элементы: кальций, магний, сера, железо. Их содержание в почвах часто близко к потребностям растений и их вынос с товарной продукцией относительно невысок.

Микроудобрения.

Микроудобрениями называют питательные вещества, которые содержат химические элементы, потребляемые растениями в очень малых количествах. В настоящее время выявлена биологическая роль в жизни растительных и животных организмов бора, меди, марганца, молибдена и др. Удобрения, содержащие эти микроэлементы, получили соответствующие названия.

Свеча и электрическая лампочка

В настоящее время покупка свечи доступна каждому почти так же, как спички. Однако так было далеко не всегда. В начале прошлого века на Руси свечи ценились очень дорого и в домах простых людей обычно горела лучина или лампада с маслом. Керосиновые лампы появились позже. О щедрости людей судили по тому, какого размера свечу зажигал человек при посещении церкви.

В прошлом веке производство свечей было развитой отраслью промышленности. Существовали описания технологий производства и их химической сущности. В частности, такой труд в 1851г. был написан преподавателем Петербургского технологического института Н. Виттом.

Из его книги мы узнаем, что свечи были восковые, сальные, стеариновые, спермацетные и весьма дорогие парафиновые. О том, из каких материалов готовились свечи, будет рассказано ниже. Однако не сразу об этом. Нельзя не вспомнить, что в середине прошлого века великий английский ученый Майкл Фарадей выступил с лекцией на тему. «История свечи». Это был вдохновенный гимн творению человека и природы. Лекция была переведена на русский язык и часть ее опубликована. Автор рекомендует каждому, кто интересуется физикой и химией, прочитать это выдающееся творение.

Вероятно, первые свечи были восковые. Пчелиный воск — это дар природы и свеча из него могла быть изготовлена самым примитивным способом. Гораздо позже воск стали очищать. Технология опять же была весьма простой. Это достигалось плавлением воска и фильтрованием в расплавленном состоянии через ткань. Для отбелки воска, в зависимости от возможностей, использовали костяной уголь, диоксид серы или хлор.

Следует отметить, что с американских континентов в Европу завозился растительный воск. Он применялся для изготовления свеч взамен пчелиного, однако был гораздо дороже и потому не выдерживал конкуренции.

Нити для свечей проваривались в течении нескольких часов в щелоке, приготовленном из поташа и жженой извести. Затем следовало промывание водой и отбели­вание хлорной известью.

Под стеарином вначале понимали два различных продукта, извлекаемых из говяжьего и бараньего сала. Один из них получали удалением из сала жидкостей прессованием. Твердый остаток и называли стеарином. Другой продукт получали химической обработкой сала вначале известью, а затем серной кислотой. По существу, это был гидролиз жиров (глицеридов) с последующим выделением смеси кислот: стеариновой, пальмитиновой и небольшого количества непредельных кислот.

Стеариновая кислота СН₃(СН₂)₁₆СООН была открыта в сале в 1816г. французским химиком Шеврелем. Вместе с Гей-Люссаком в 1825г. он взял в Англии привилегию на приготовление стеариновых свеч.

Стеариновые свечи оказались дешевле, чем восковые. Однако русская церковь долго не соглашалась заменять восковые свечи на стеариновые. Одной из причин было то, что восковые свечи при сгорании издавали приятный запах.

Сальные свечи готовили из вытопленного сала, которое затем очищали механически (процеживанием через ткань) или химически (глиноземом или дубильными веществами) и обесцвечивали так же, как и воск. При горении сальные свечи сильно коптили.

Спермацет для спермацетных свечей извлекали из полостей, находящихся в голове китов. Он освобождался от сопутствующих жидких масел выжиманием холодным или горячим прессованием. Если была необходимость, то проводилась очистка посредством мыльного щелока. Свечи, изготовленные из спермацета, отличались белизной и полупрозрачностью. Однако они имели и недостаток. При горении со временем оплывали.

В текущем столетии, до истребления китов, дефицитный спермацет использовали главным образом как основу для кремов и различных мазей, а также в качестве высококачественного смазочного масла для прецизионных инструментов.

Парафиновые свечи вначале были довольно дорогими, так как парафин извлекали при перегонке дегтя растительных веществ. Затем в Англии его начали добывать из торфа. Однако и в том и другом случае он получался лишь в небольших количествах. Коренное изменение произошло с налаживанием крупномасштабной переработки нефти. Сейчас — это один из наиболее доступных нефтехимических продуктов. Парафин — смесь предельных углеводородов С₁₈—С₃₅. Смесь предельных углеводородов С₃₆—С₅₅ называют церезином. Современные свечи со­стоят из смеси парафина и церезина.

Лампочка состоит из стеклянного баллона, в который введены держатели спирали, и из самой спирали. Спираль изготовлена из вольфрама — одного из наиболее тугоплавких металлов. Его температура плавления равна 3410 °С. Кроме высокой тугоплавкости, вольфрам обладает еще одним очень важным свойством — высокой пластичностью. Из 1 кг. вольфрама можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км, которой хватит на изготовление 23 тыс. 60-ватных лампочек. Держатель изготовлен из молибдена — элемента-аналога вольфрама. В периодической системе Д. И. Менделеева эти два элемента находятся в одной и той же подгруппе. Важнейшим свойством молибдена является малый коэффициент линейного расширения. При нагревании он увеличивается в размере так же, как и стекло. Поскольку при нагревании и охлаждении молибден и стекло изменяют размеры синхронно, последнее не трескается и потому не нарушается герметизация.

Известно, что интенсивность излучения тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры. Это следует из закона Стефана — Больцмана. Следовательно, повышение температуры вольфрамовой нити электрической лампочки всего на 100° с 24001 до 2500 °С приводит к увеличению светового потока] на 16 %. Кроме того, с увеличением температуры в общем потоке излучения увеличивается доля видимого света. Это явление отражается законом Вина, т.е. с увеличением температуры нити накаливания растет свете отдача, а значит, увеличивается экономичность лампочки. Повышению температуры мешает разогревание стеклянного баллона и испарение нити. Снизить разогревание баллона можно созданием в нем вакуума. Эти» путем уменьшается теплопроводность от нити до стекла. Однако в вакууме будет усиливаться испарение нити. Это будет приводить к ее утоньшению и, в конце концов, нить перегорит. Заполнение баллона инертным газом, например азотом, препятствует испарению нити и тем больше, чем тяжелее молекулы заполняющего газа. Оторвавшиеся от нити атомы вольфрама будут ударяться о молекулы газа, их путь до стенок баллона будет удлинен, а некоторые атомы могут вернуться к нити. Чем тяжелее молекулы заполняющего газа, тем больше они будут препятствовать испарению нити накаливания. Так, частичная замена азота на аргон позволяет увеличивать температуру вольфрамовой нити до 2600—2700 °С. Полностью заменить азот на аргон нельзя, так как последний обладает сравнительно высокой электрической проводимостью и появится опасность возникновения электрической дуги между молибденовыми держателями. Еще лучше предохраняют вольфрамовую нить от разрушения более тяжелые благородные газы — криптон и ксенон. Они позволяют поднять температуру нити до 2800 °С и снизить объем газового баллона. Заполнение ими ламп взамен аргона позволяет получить на 15 % больше светоотдачу, увеличить вдвое срок службы нити накаливания и на 50 % сократить объем баллона.

Для увеличения срока службы электрических ламп накаливания в баллон добавляют небольшое количество иода. Он выполняет роль собаки, охраняющей отару овец. В зоне с температурой приблизительно 1600 °С иод взаимодействует с оторвавшимися от нити атомами вольфрама, переводя их в соединение Wl₂. При хаотическом движении рано или поздно молекула иодида вольфрама (II) попадает в область более высоких температур, где она продиссоциирует в соответствии с уравнением

WI₂ ? W + 2l

Таким образом, иод возвращает атомы вольфрама в зону, окружающую нить и, следовательно, препятствует ее испарению. В йодных лампах на стенках стеклянного баллона не бывает и следов темного налета металлического вольфрама. По этой причине светоотдача таких ламп со временем не снижается, а срок службы увеличивается.

Химические элементы в организме человека

Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению в организм практически всех химических элементов. Они повседневно вводятся в организм и выводятся из него. Анализы показали, что количество отдельных химических элементов и их соотношение в здоровом организме различных людей примерно одинаковы.

Мнение о том, что в организме человека можно обнаружить практически все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, становится привычным. Однако пред­положения ученых идут дальше — в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет какую-то биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов. Несомненно, время и труд ученых прольют свет и на этот вопрос.

Биоактивность отдельных химических элементов. Экспериментально установлено, что в организме человека металлы составляют около 3 % (по массе). Это очень много. Если принять массу человека за 70 кг., то на долю металлов приходится 2,1 кг. По отдельным металлам масса распределяется следующим образом: кальций (1700 г), калий (250г.), натрий (70г.), магнии (42г.), железо (5г.), цинк (3г.). Остальное приходится на микроэлементы. Если концентрация элемента в организме превышает 10² %, то его считают макроэлементом. Микроэлементы находятся в организме в концентрациях 10³—10⁵ %. Если концентрация элемента ниже 10⁵ %, то его считают ультрамикроэлементом. Неорганические вещества в живом организме находятся в различных формах. Большинство ионов металлов образуют соединения с биологическими объектами. Уже сегодня установлено, что многие ферменты (биологические катализаторы) содержат ионы металлов. Например, марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Естественно, что недостаток этих элементов должен сказаться на содержании соответствующих ферментов, а значит, и на нормальном функционировании организма. Таким образом, соли металлов совершенно необходимы для нормального функционирования живых организмов. Это подтвердили и опыты по бессолевой диете, которая применялась для кормления подопытных животных. Для этой цели многократным промыванием водой из пищи удаляли соли. Оказалось, что питание такой пищей приводило к гибели животных

Шесть элементов, атомы которых входят в состав белков и нуклеиновых кислот: углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Далее следует выделить двенадцать элементов, роль и значение которых для жизнедеятельности организмов известны: хлор, иод, натрий, калий, магний, кальций, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден. В литературе имеются указания на проявление биологической активности ванадием, хромом, никелем и кадмием

Имеется большое число элементов, являющихся ядами для живого организма, например ртуть, таллий, свиней и др. Они оказывают неблагоприятное биологическое влияние, но без них организм может функционировать. Существует мнение, что причина действия этих ядов связана с блокированием определенных групп в молекулах протеинов или же с вытеснением из некоторых ферментов меди и цинка. Бывают элементы, которые в относительно больших количествах являются ядом, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние на организм. Например, мышьяк является сильным ядом, нарушающим сердечно-сосудистую систему и поражающим печень и почки, но в небольших дозах он прописывается врачами для улучшения аппетита человека. Ученые считают, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организма к действию вредных микробов. Широко известно сильное отравляющее вещество иприт S(СН₂СН₂С1)₂. Однако в разбавленном в 20 000 тыс. раз вазелином под названием «Псориазина» его применяют против чешуйчатого лишая. Современная фармакотерапия пока еще не может обойтись без значительного числа лекарственных средств, в состав которых входят токсичные металлы. Как здесь не вспомнить поговорку, что в малых коли­чествах лечит, а в больших — калечит.

Интересно, что хлорид натрия (поваренная соль) в десятикратном избытке в организме по сравнению с нормальным содержанием является ядом. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации и особенно под давлением оказывает ядовитое действие. Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме иногда играет весьма существенное, а порой и катастрофическое значение.

Железо входит в состав гемоглобина крови, а точнее в красные пигменты крови, обратимо связывающие молекулярный кислород. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г. железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходит постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восстановления железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм около 25 мг. Недостаток железа в организме приводит к заболеванию — анемии. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких — заболевание, вызываемое отложением соединений железа в тканях этих органов. Недостаток в организме меди вызывает деструкцию кровеносных сосудов. Кроме того, считают, что его дефицит служит причиной раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение раком легких у людей пожи­лого возраста врачи связывают с возрастным снижением меди в организме. Однако избыток меди приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Для человека вред причиняют лишь большие количества соединений меди. В малых дозах они используются в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) CuSO₄ используют при лечении конъюнктивитов в виде глазных капель (0,25 %-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди (II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором производят ее обильное смачивание 5 %-ным раствором сульфата меди (II).

Давно замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра, (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря при хронических циститах и уретритах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюнктивитах и бленнорее. Нитрат серебра AgNO₃ в виде карандашей применяют для прижигания бородавок, грануляций и т. п. В разбавленных растворах (0,1—0,25 %-ные) его используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра — альбуминатов.

В настоящее время, бесспорно, установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии — неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри нее. Наличие градиента концентраций калия и натрия — экспериментально установленный факт. Исследователей волнует загадка о природе калий-натриевого насоса и его функционирования. На разрешение этого вопроса направлены усилия многих коллективов ученых, как в нашей стране, так и за рубежом. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клетки падает. При наступлении смерти концентрация калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравнивается.

Биологическая функция ионов лития и рубидия в здоровом организме пока не ясна. Однако имеются сведения, что введением их в организм удается лечить одну из форм маникально-депрессивного психоза.

Биологам и медикам хорошо известно, что важнуюроль в организме человека играют гликозиды. Некоторые природные гликозиды (извлекаемые из растений) активно действуют на сердечную мышцу, усиливая сократительные функции и замедление ритма сердца. При попа­дании в организм большого количества сердечного гликозида может произойти полная остановка сердца. Ионы некоторых металлов влияют на действие гликозидов. Например, при введении в кровь ионов магния действие гликозидов на сердечную мышцу ослабляется Ионы кальция, наоборот, усиливают действие сердечных гликозидов

Некоторые соединения ртути также чрезвычайно ядовиты. Известно, что ионы ртути (II) способны прочно соединяться с белками. Ядовитое действие хлорида ртути (II) HgCl₂ (сулемы) проявляется, прежде всего, в некрозе (омертвлении) почек и слизистой оболочки кишечника. В результате ртутного отравления почки теряют способность выделять из крови продукты жизнедеятельности организма.

Интересно, что хлорид ртути (I) Hg₂Cl₂ (древнее название каломель) безвреден для организма человека. Вероятно, это объясняется чрезвычайно низкой растворимостью соли, в результате чего ионы ртути не попадают в заметных количествах в организм.

Цианистый калий (Цианид калия) KCN — соль синильной кислоты HCN. Оба соединения являются быстродействующими и сильными ядами

При остром отравлении синильной кислотой и ее солями теряется сознание, наступает паралич дыхания и сердца. На начальной стадии отравления человек испытывает головокружение, ощущение давления во лбу, острую головную боль, учащенное дыхание, сердцебиение. Первая помощь при отравлении синильной кислотой и ее солями — свежий воздух, кислородное дыхание, тепло. Противоядиями являются нитрит натрия NaNO₂ и органические нитросоединения: амилнитрит C₅H₁₁ONO и пропилнитрит C₃H₇ONO. Считают, что действие нитрита натрия сводится к превращению гемоглобина в мета-гемоглобин. Последний прочно связывает цианидные ио­ны в цианметагемоглобин. Этим путем дыхательные ферменты освобождаются от цианидных ионов, что и приводит к восстановлению дыхательной функции клеток и тканей.

В качестве противоядий на синильную кислоту широко используют серосодержащие соединения: коллоидную серу, тиосульфат натрия Na₂S₂O₃, тетратионат натрия Na₂S₄O₆, а также серосодержащие органические соединения, в частности, аминокислоты — глутатион, цистеин, цистин. Синильная кислота и ее соли при взаимодействии с серой превращаются в тиоцианаты в соответствии с уравнением

HCN + S ? HNCS

Тиоцианаты же совершенно безвредны для человеческого организма.

С давних пор при опасности отравления цианидами рекомендовалось держать за щекой кусочек сахара. В 1915г. немецкие химики Рупп и Гольце показали, что глюкоза взаимодействует с синильной кислотой и некоторыми цианидами с образованием нетоксичного соединения циангидрина глюкозы:

ОН ОН ОН ОН ОН Н ОН OH OН ОН ОН Н

| | | | | | | | | | | |

СН₂—СН—СН—СН—СН—С = О + HCN ? СН₂—СН—СН—СН—СН—С—ОН

|

CN

глюкоза циангидрин глюкозы

Свинец и его соединения являются довольно сильными ядами. В организме человека свинец накапливается в костях, печени и почках.

Весьма токсичны соединения химического элемента таллия, который относят к числу редких.

Следует указать, что все цветные и особенно тяжелые (расположенные в конце периодической системы) металлы в количествах выше допустимых ядовиты.

Углекислый газ в больших количествах содержится в организме человека и потому не может быть ядовитым. За 1 ч взрослый человек выдыхает примерно 20 л (около 40 г) этого газа. При физической работе количество выдыхаемого углекислого газа увеличивается до 35 л. Он образуется в результате сгорания в организме углеводов и жиров. Однако при большом содержании СО₂ в воздухе наступает удушье из-за недостатка кислорода. Максимальная продолжительность пребывания человека в помещении с концентрацией СО₂ до 20 % (по объему) не должна превышать 2 ч. В Италии имеется получившая широкую известность пещера («Собачья пещера»), в которой человек стоя может находиться длительное время, а забежавшая туда собака задыхается и гибнет. Дело в том, что примерно до пояса человека пещера заполнена тяжелым (по сравнению с азотом и кислородом) углекислым газом. Поскольку голова человека находится в воздушном слое, то он не ощущает никаких неудобств. Собака же при ее росте оказывается в атмосфере углекислого газа и потому задыхается.

Врачи и биологи установили, что при окислении в организме углеводов до воды и углекислого газа на одну затраченную молекулу кислорода выделяется одна молекула СО₂. Таким образом, отношение выделенного СО₂ к поглощенному О₂ (величина дыхательного коэффициента) равна единице. В случае окисления жиров дыхательный коэффициент равен примерно 0,7. Следовательно, определяя величину дыхательного коэффициента, можно судить, какие вещества преимущественно сгорают в организме. Экспериментально установлено, что при кратковременных, но интенсивных мышечных нагрузках энергия получается за счет окисления углеводов, а при длительных — преимущественно за счет сгорания жиров. Полагают, что переключение организма на окисление жиров связано с истощением резерва углеводов, что обычно наблюдается через 5—20 мин после начала интенсивной мышечной работы.

Антидоты.

Антидоты — вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры и инакгавирующие яды посредством химической

Жёлтая кровяная соль K₄[Fe(CN)₆] образует малорастворимые соединения с ионами многих тяжелых металлов. Это свойство используют на практике для лечения отравлений солями тяжелых металлов.

Хорошим антидотом при отравлениях соединениями мышьяка, ртути, свинца, кадмия, никеля, хрома, кобальта и других металлов является унитиол:

СН₂—СН—CH₂SO₃Na ? Н₂О

| |

SH SH

Универсальным антидотом является молоко.

Использованная литература

1. Краткая химическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1961 – 1967. Т. I—V.

2. Советский энциклопедический словарь. – М:: Сов. энциклопедия, 1983.

3. Августиник А.И. Керамика. – Л.: Стройиздат, 1975.

4. Андреев И.Н. Коррозия металлов и их защита. – Казань: Татарское книжное изд-во, 1979.

5. Бетехтин А.Г. Минералогия. – М.: Гос. изд-во геологической литературы, 1950.

6. Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н., Матвеев М.А. Общая технология силикатов. – М.: Госстройиздат, 1962.

7. Быстрое Г.П. Технология спичечного производства. – М.–Л.: Гослесбумиздат, 1961.

8. Витт Н. Руководство к свечному производству. – Санкт-Петербург: Типография департамента внешней торговли, 1851.

9. Войтович В.А., Мокеева Л.Н. Биологическая коррозия. – М.: Знание, 1980. № 10.

10. Войцеховская А.Л., Вольфензон И. И. Косметика сегодня. – М.: Химия, 1988.

11. Дудеров И.Г., Матвеева Г.М.,. Суханова В.Б. Общая технология силикатов. – М.: Стройиздат, 1987.

12. Козловский А.Л. Клеи и склеивание. – М.: Знание, 1976.

13. Козмал Ф. Производство бумаги в теории и на практике. – М.: Лесная промышленность, 1964.

14. Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. – Л.: Химия, 1991.

15. Кульский Л.А., Даль В.В. Проблема чистой воды. – Киев: Наукова думка, 1974.

16. Лепешков И.Н., Розен Б.Я. Минеральные дары моря. – М.: Наука, 1972.

17. Лосев К.С. Вода, – Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

18. Лукьянов П.М. Краткая история химической промышленности СССР. — М.: Изд-во АН СССР, 1959.

19. Лялько В.И. Вечно живая вода. – Киев: Наукова дума, 1972.

20. Петербургский А.В. Агрохимия и система удобрений. – М.: Колос, 1967.

21. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. — М.: Мир, 1977.

22. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. – Л.: Химия, 1989.

23. Чалмерс Л. Химические средства в быту и промышленности – Л.: Химия, 1969.

24. Чащин А.М. Химия зеленого золота. — М.: Лесная промышленность, 1987.

25. Энгельгардт Г., Гранич К., Риттер К. Проклейка бумаги. – М.: Лесная промышленность, 1975.