Текст книги "Загадки современной химии. Правда и домыслы"

Торнадо, радуга и химия

Моисей, воспользовавшись помощью свыше, смог разделить воды Красного моря, а огненный столп преградил путь войскам фараона, преследовавшим евреев. Это одна из самых запоминающихся сцен классического фильма Сесила ДеМилля, снятого в 1956 году – «Десять заповедей». В этом фильме огненный столп был создан талантливыми аниматорами, но его можно сделать и весьма реалистичным с помощью химии. Я сейчас имею в виду классический эффект, известный под названием «метанолового торнадо». Но, прежде чем перейти к дальнейшему изложению, хочу повторить свою привычную мантру: «Не существует безопасных или опасных веществ, есть безопасные и опасные действия с ними». Метанол – это классический пример такого рода. Этот простой спирт не только очень легко воспламеняется, он, кроме того, очень ядовит при попадании внутрь и даже на кожу. Это, однако, не означает, что им нельзя пользоваться. Просто надо соблюдать меры предосторожности.

Для демонстрации требуется решетчатая металлическая корзина для мусора, вращающаяся платформа, плоская чашка, на дно которой надо налить несколько миллилитров метилового спирта, химикат, окрашивающий пламя и источник огня. Корзину ставят на вращающуюся платформу. На дне корзины находится чашка с метанолом. Вращение платформы после поджигания спирта позволяет получить впечатляющий столб пламени, которое можно, с помощью щепотки нитрата стронция подкрасить в ярко-красный цвет. Думается, что этот фокус лежит в основе множества киношных спецэффектов, но, как гласит старая пословица, играющий с огнем может обжечься. Именно это и случилось с восемью детьми и одним взрослым в музее науки в Рено (штат Невада).

Неизвестно, что там в точности произошло, но главная неприятность заключалась в том, что открытая бутыль с метанолом, откуда несколько миллилитров было вылито в чашку, осталась стоять на демонстрационном столе. Каким-то образом, когда был подожжен метанол в чашке, загорелись пары, выходившие из бутыли. Метанол в бутыли вспыхнул, она опрокинулась, и горящая жидкость хлынула на пол, где сидели дети. Эта демонстрация проводится во всех научных музеях мира с незапамятных времен и без всяких проблем, но здесь было допущено грубейшее нарушение техники безопасности. Бутыль с метанолом ни в коем случае не должна стоять рядом с открытым огнем.

В то время как опыты с метаноловым торнадо практически никогда не сопровождаются подобными происшествиями, другая демонстрация – «Опыт с радужным пламенем» – нередко приводит к ожогам опять-таки из-за того, что учителя по невежеству не соблюдают технику безопасности. Тем не менее, этот эксперимент очень популярен, так как показывает ученикам, как открывать металлы по окраске пламени, которое они вызывают. Чаще всего опыт проводят следующим образом: на стол ставят ряд чашек Петри с небольшим количеством метанола на дне каждой из них. В метаноле растворены соли металлов. Когда спирт поджигают, над столом вспыхивает огненная радуга, потому что соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, меди – в синий, бора – в зеленый, калия в лиловый, лития – в карминовый, а стронция – в красный.

Принцип заключается в том, что жар пламени заставляет электроны металлических ионов переходить на более высокие энергетические уровни, а когда они снова возвращаются на исходные уровни, излучается квант света. Так как разница в энергиях разных уровней является специфической для атомов каждого металла, то каждый металл испускает лучи «своего» определенного цвета, другими словами, по цвету можно определить, какой металл находится в пламени. Яркие цвета фейерверков, интенсивное стронциевое пламя красного аварийного фонаря и желтое свечение натриевых светильников – все это следствие упомянутых электронных переходов.

Несчастные случаи при демонстрации огненной радуги происходят, когда воспламеняется сосуд с метанолом, который ни в коем случае не должен находиться вблизи открытого огня. Как правило, несчастье случается, когда экспериментатор пытается оживить огонь, подлив немного спирта в чашки. Пламя поднимается по струе спирта и воспламеняет содержимое бутылки. Приблизительно то же самое происходит, когда пытаются подлить жидкость для розжига в горящие угли барбекю. Человек, который это делает, рискует получить тяжелые ожоги.

Пугающее число несчастных случаев с огненной радугой привело к фактическому запрещению этой демонстрации в школах и университетах. Я бы, конечно, предпочел, чтобы преподаватели были лучше знакомы с техникой безопасности и неустанно повторяли ученикам и студентам, что бутыль с метанолом надо тщательно закрыть и убрать в шкаф после того, как спирт будет разлит по чашкам. Конечно, этот принцип можно продемонстрировать и без метанола. Для этого надо соль исследуемого металла положить на платиновую, золотую или серебряную проволочку, а затем провести ее сквозь пламя горелки Бунзена. Платина, золото и серебро не окрашивают пламя, поэтому окрашивание возникает только благодаря исследуемым образцам.

Есть и еще одна основательная причина проводить опыт с горелкой Бунзена. Студентам можно рассказать интересную историю о том, как Роберт Бунзен изобрел свою горелку для того, чтобы исследовать цвета, продуцируемые металлами, помещенными в пламя. Задолго до этого Исаак Ньютон показал, как можно использовать призму для разложения белого света в радужный спектр, а Бунзен приложил этот принцип для разделения цветов пламени на их индивидуальные компоненты. Вместе с физиком Густавом Кирхгофом он разработал спектроскоп, инструмент, который до сих пор используют для обнаружения неизвестных веществ по цветам, которые они испускают при нагревании. Состав звезд, например, исследуют при помощи спектроскопического анализа их света. Поистине, спектроскоп – это небесное изобретение.

Захватывающая химия

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Живая демонстрация опыта стоит сотни картинок. Это особенно верно, когда речь идет о химии. Я и сегодня живо помню эпический момент на вводном занятии по физической химии, когда наш преподаватель смешал два бесцветных раствора, и в течение нескольких секунд жидкость окрасилась в темно-синий цвет. Аудитория дружно ахнула! Увы, это была единственная демонстрация, какую я наблюдал за все время пребывания в колледже. Позже я узнал, что меня потрясла классическая реакция «йодные часы», названная так, потому что реагенты можно подобрать так, что оказывается возможным точно предсказать время протекания реакции.

Суть реакции – в соединении йода с крахмалом, которое приводит к появлению темно-синего окрашивания. Многих студентов впечатляло разрезание картофелины пополам и опрыскивание разреза настойкой йода, отчего срез немедленно синел. Действительно, йод почти всегда используют для выявления в каком-либо образце вещества крахмала. Например, при созревании яблока сладость плода возрастает по мере того, как крахмал превращается в простые сахара. Благодаря этому фермеры могут проверять степень зрелости плодов, опрыскивая поверхность разреза йодом. Если это приводит к появлению интенсивного синего окрашивания, значит, плоды еще не созрели. В этом случае окраска появляется практически мгновенно. Для того чтобы оттянуть этот момент, надо использовать более тонкую химию.

Реакцию йодных часов начинают с добавления ионизированной формы йода – йодидом, который не дает никакого окрашивания при смешивании с крахмалом. Однако йодид реагирует с перекисью водорода, и в ходе этой реакции окисления превращается в йод. Здесь вступает в игру химическая изобретательность: витамин С является общеизвестным антиоксидантом, и поэтому снова превращает йод в йодид. Если смешать йодид с витамином С и добавить в раствор крахмала и перекиси водорода, то витамин немедленно среагирует с образующимся йодом и немедленно превратит его в йодид, не допуская реакции с крахмалом. Однако по мере истощения витамина С весь новообразованный йод будет уступать в реакцию с крахмалом, отчего появится синее окрашивание.

Меня так сильно заинтриговала эта реакция, что я бросился в библиотеку в поисках книг о демонстрациях химических опытов, и там наткнулся на «Проверенные демонстрационные химические опыты» Хьюберта Алайя. Эта книга перевернула всю мою жизнь. Книга оказалась полна описаний демонстраций опытов, которые я затем повторял в аудитории. Алайя, как я узнал, был профессором химии в Принстоне, и прославился своими лекциями, сопровождавшимися огненными и взрывными фейерверками, а также основательными научными объяснениями и сумасбродными комментариями. Своими лекциями Алайя заслужил прозвище «доктор Бум», став прототипом для режиссера Фреда МакМарри в диснеевском мультфильме «Рассеянный профессор». МакМарри даже встречался с Алайей, чтобы поближе познакомиться с его манерой поведения.

Можете себе представить, что я испытал, узнав, что Алайя собирается выступить с лекцией в Монреале. Я не шел, я бежал туда, и я не был разочарован. Газета «Нью-Йорк Таймс» очень точно описала это выступление: «Среди взрывов и клубов диоксида углерода Алайя объясняет тайны химии с заразительным энтузиазмом… по ходу настоящего театрализованного и очень живого представления со световыми и шумовыми эффектами». Он показал и реакцию йодных часов, с которой я уже был знаком! Но и эту реакцию он усовершенствовал. В его руках раствор не только становился из бесцветного синим, нет, он снова терял цвет, а потом цикл повторялся сначала. Я был совершенно очарован этой циклической реакцией, и много лет спустя положил ее в основу «Химической магии» – шоу, с которым я и мои коллеги путешествовали по всей Северной Америке. Думаю, учитывая страстность и неподдельную любовь к химии, доктор Алайя бы одобрил наши выступления.

Думаю, однако, что он не удержался бы от едких замечаний по поводу жульнического использования реакции йода с крахмалом в Китае. Помните изречение: «Клянусь всем китайским чаем!»? Неудивительно поэтому, что во время всех туристических туров в Китай автобусы с туристами непременно завозят на какую-нибудь чайную плантацию, где рассказывают всякие чудеса о пользе чая, а потом загоняют в магазин, где туристы могут оставить свои запасы твердой валюты. Здесь рассказ о пользе чая дополняют милым химическим экспериментом. В большую миску засыпают рис и растирают его пестиком. Добавляют воду, а потом раствор, содержащий йод (хотя об этом не говорят ни слова). Рис, как и картофель, содержит крахмал, и в миске очень быстро происходит характерное синее окрашивание.

Здесь наступает кульминация. К синему рису добавляют свежезаваренный чай, и смесь мгновенно обесцвечивается. После этого группу туристов угощают рассказом об антиоксидантах и об их свойствах связывать свободные радикалы – соединения, вызывающие болезни и преждевременное старение. Дальше следует описание антиоксидантов чая, с намеком на то, что их действие было только что продемонстрировано исчезновением синей окраски. Смысл всей этой лекции заключается в том, что чай очищает наши внутренности так же, как он только что, на наших глазах, очистил блюдо с рисом.

Демонстрация, как правило, оказывается убедительной, и туристы радостно опустошают полки магазина. Правда, если бы туристы с таким же рвением бросились читать книжки по химии, то они нашли бы другое объяснение изменению окраски раствора. Чай действительно содержит полифенолы из класса катехинов, а эти катехины, на самом деле, являются антиоксидантами. Но изменение цвета в ходе данной реакции не имеет ничего общего с их антиоксидантными свойствами. Такие реакции в органической химии называют реакциями «электрофильного ароматического замещения».[16]16
  Электрофил – это атом (или соединение), охотно присоединяющее электрон и получающее, следовательно, отрицательный заряд (название греческое – для сравнения можно вспомнить имя Феофил, означающее «Боголюб»). Йод присоединяет электрон, отнимая его у водорода, входящего в состав полифенола, и замещает водород, который, лишившись электрона, удаляется в виде положительно заряженного иона. Этот водород называется электрофугом (так сказать, антиподом электрофила).


[Закрыть] В данном случае йод замещает атом водорода в молекулах полифенолов. Истощение запаса йода в растворе приводит к тому, что реагировать с крахмалом становится нечему. Благодаря этому исчезает и синяя окраска. Я не хочу сказать, что пить чай вредно, и, наверное, содержащиеся в нем антиоксиданты, на самом деле, оказывают благотворное действие, но это свойство не подтверждается реакцией обесцвечивания смеси риса с йодом. Это просто похищение моей любимой реакции!

Ядовитое очищение

Представьте себе следующую картину. Вы глотаете маленькую таблетку, дожидаетесь момента, когда она настолько раздражит ваш кишечник, что у вас начнется сильный понос, а потом вы разыщете в каловых массах эту таблетку, отмоете ее, и она будет готова к следующему применению для того, чтобы избавиться от накопившихся в организме вредных шлаков. Но как может таблетка, не изменившись, пройти по всему желудочно-кишечному тракту? Может, если она сделана из металла, в данном случае, из сурьмы. Я умоляю вас, не идите в аптеку и не требуйте таблетированную сурьму. В настоящее время такое лечение не практикуют; сурьму прописывали больным в средние века, когда лечение было всегда направлено на удаление «болезнетворных соков» из организма. В принципе, такой подход мало чем отличается от современного безумного увлечения изгнания из организме неведомых токсинов разнообразными способами «очищения», многие из которых обладают слабительными свойствами.

Надо надеяться, что в наши дни найдется мало глупцов, готовых принимать сурьму или ее соединения, потому что они, на самом деле, ядовиты. Конечно, этого не знали в средние века; тогда лишь прекрасно видели, что сурьма помогает облегчить кишечник. Причем не только как слабительное. Один из методов очищения заключался в питье вина, которое ночь простояло в посуде из сурьмы. Сурьма реагировала с винной кислотой с образованием виннокаменной сурьмы (тартрата сурьмы), соединения, вызывавшего рвоту. Идея очищения организма для лечения болезней господствовала в медицине вплоть до конца восемнадцатого века. Когда Моцарт заболел какой-то загадочной болезнью, ему назначили лечение «рвотным камнем», как называли тогда тартрат сурьмы. Какой именно болезнью страдал Моцарт, неизвестно, но через две недели он умер. Врачи наблюдали у него сильную рвоту, лихорадку, отеки живота и конечностей. Все эти симптомы укладываются в клиническую картину отравления сурьмой. Конечно, мы не можем доказать, что Моцарт умер именно из-за такого отравления; он болел, кроме того, ревматизмом, который едва не свел его в могилу в детстве.

Моцарт всю жизнь отличался хрупким здоровьем, и известно, что врачи лечили его препаратами сурьмы, и даже он сам принимал ее, когда плохо себя чувствовал. Интересно, что сам Моцарт действительно считал, что его отравили, и обвинял в этой попытке своего музыкального соперника Антонио Сальери. Вопреки известному фильму «Амадей», в котором есть намек на такую возможность, исторические факты свидетельствуют против этой версии. Вопреки распространенной легенде, Сальери на исповеди перед смертью не признавался в том, что пытался отравить Моцарта.

В девяностые годы летучее соединение сурьмы, известное под названием стибина (SbH₃), было заподозрено в том, что оно является причиной внезапной детской смерти. Идея заключалась в том, что это вещество образуется из оксида сурьмы, который добавляют в поливинилхлорид для уменьшения его горючести. Грибок, обнаруженный в матрасах, способствует такому превращению – во всяком случае, в лабораторных условиях. В настоящее время эта теория оставлена, потому что ни присутствие грибка, ни концентрации сурьмы в крови детей не проявляют корреляцию с частотой внезапной детской смерти.

Недавно «Гринпис» всколыхнул общественное мнение брошюрой «Маленький рассказ о чудовищах в вашем шкафу». Что же это за «чудовища»? Подзаголовок извлекает их на свет. «Исследования показывают, что в детской одежде содержатся опасные вещества». Вот оно что, оказывается, эти чудовища – химические соединения. Одно из них, по мнению «Гринпис» – это триоксид сурьмы, который присутствует во всех тканях, содержащих полиэстер. В этом нет ничего удивительного, потому что триоксид сурьмы применяют в качестве катализатора при производстве полиэстера, а, кроме того, добавляют его в этот материал для повышения огнестойкости. Кроме того, верно, что триоксид сурьмы может представлять опасность для здоровья. Но опасность – это не то же самое, что риск.

Опасность – это внутреннее свойство вещества, его способность причинять вред, если не учитывать тип и время экспозиции. Вдыхание соединений сурьмы на производстве действительно очень опасно; триоксид сурьмы относится к веществам, которые в результате систематического вдыхания могут стать причиной рака легких. Но это не относится к следовым количествам триоксида сурьмы, содержащимся в ткани. Здесь степень вредности определяется способностью соединения выделяться из ткани и поглощаться организмом человека. Этот вопрос тщательно изучали и пришли к выводу, что количество выделяющегося из ткани опасного соединения находится намного ниже границы значимого риска. То же самое относится к следовым количествам сурьмы, содержащимся в полиэстере, из которого изготовляют бутылки для воды и прочих напитков. Концентрация меньше пяти частиц на миллиард не представляет никакой угрозы здоровью.

Сурьма в природе не встречается в виде самородного металла, так откуда же ее брали средневековые врачи? Подобно большинству металлов, сурьму выплавляют из руды, в данном случае, из сульфида сурьмы, стибнита, вещества, известного людям на протяжении тысячелетий. Библейская соблазнительница Иезавель, как утверждает Писание, красила брови стибнитом, а, кроме того, это же соединение было главной составной частью угля, которым красавицы древнего Египта красили ресницы. Неизвестно, кто первым понял, что нагревание сульфида сурьмы превращает его в оксид сурьмы, а дальнейшее нагревание его в присутствии углерода позволяет получить металлическую сурьму, но, если вы посетите Лувр, то увидете там изготовленный пять тысяч лет назад сосуд из почти чистой сурьмы.

В наши дни ни металлическая сурьма, ни ее соединения не применяются в медицине, хотя еще в семидесятые годы соединения сурьмы применялись как противопаразитарные средства, в частности, при лечение шистосомоза. Эти препараты действительно уничтожали паразитов, но иногда убивали и больных. До начала двадцатого века рвотный камень использовали как средство лечения алкогольной зависимости, хотя и без особого успеха. В «Медицинском журнале Новой Англии» была когда-то опубликована статья о человеке, которого его жена пыталась вылечить от алкоголизма, тайно добавляя в апельсиновый сок рвотный камень. В результате этот человек попал в больницу с болями в груди и с печеночной недостаточностью. Известно, что следующие два года этот человек не брал в рот спиртного. Видно урок приема сурьмы не прошел для него даром.

Реальные Флинтстоуны[17]17
  Flintsone по-английски означает «кремень» (что-то вроде «Семья Кремневых»)


[Закрыть]

Я, можно сказать, вырос на сериале «Флинтстоуны», первой мультипликационной комедии положений. Было очень забавно наблюдать за жизнью современных людей, перенесенных в каменный век, но лишь только после начала уроков химии в школе я задумался о значении фамилии Флинтстоун. Мистер Кук показал нам, как с помощью кремня (flintstone) зажечь горелку Бунзена, попутно рассказав, что именно так люди впервые начали добывать огонь. Именно это слово послужило фамилией семьи героев фильма, но история о том, что именно с помощью кремня древние люди впервые научились добывать огонь, неверна.

В науке давно идут споры о том, когда именно человечество овладело огнем. Оценки разнятся от 400 тысяч лет до двух миллионов. Сначала, по всей видимости, огонь добывали из тлеющих углей – при лесных пожарах, возникавших от ударов молний, или при извержениях вулканов. К тлеющим углям прикладывали дерево или куски животного жира, а затем раздували пламя. Скорее всего, первым способом добывания огня стало трение друг об друга кусков дерева. Во время трения образовывалась мелкая древесная крошка, которая и воспламенялась при повышении температуры, вызванном трением.

Потом, когда наши предки начали изготовлять орудия из камня, они заметили, что при ударе определенными камнями друг об друга начинают сыпаться искры. Кремень – это разновидность кварца, по сути, это двуокись кремния. Кремень может быть довольно разнообразно окрашен из-за присутствия примесей. По твердости этот камень почти не уступает алмазу. При ударе куском кремня по куску камня, содержащего железо (например, пирита) из камней буквально вылетает сноп искр! Эти искры представляют собой светящиеся кусочки раскаленного железа, которые могут поджечь легко воспламеняющиеся материалы.

Технология добывания огня была значительно усовершенствована с наступлением железного века, после того, как человек смог нагреванием железной руды получить железо, которое затем превращали в сталь, добавляя в расплав углерод. При ударе сталью о кремень возникает огромное число искр. До изобретения в девятнадцатом веке спичек, использование кремня было самым распространенным способом добывания огня. Люди носили с собой трутницы – коробочки, в которых лежал кремень, кусок стали и сухой горючий материал – высушенный гриб, обожженная ткань и деревянная палочка, пропитанная серой. При небольшом навыке, ударом кремнем о сталь можно было получить искры, воспламенявшие трут, от которого поджигали палочку, а уже с ее помощью зажигали свечу или керосиновую лампу.

В ранних образцах огнестрельного оружия запал поджигали с помощью «кремниевого замка», механизма, сделанного из кремня, прикрепленного к снабженному пружиной молоточку, который срабатывал после нажатия на спусковой крючок. Кремень ударял по куску стали, возникал сноп искр, поджигавший немного пороха на полке, откуда огонь распространялся на основной пороховой заряд, находившийся в стволе, после чего следовал выстрел.

Несмотря на то, что спички вытеснили трутницы, кремни до сих пор не исчезли из употребления. Они до сих пор используются в карманных зажигалках, для поджигания газовой смеси при автогенной сварке. А также – да, да – для поджигания газа в горелке Бунзена. Но то, что мы сейчас называем кремнем, на самом деле кремнем не является. Это искусственный материал – «ферроцерий», состоящий из железа, церия, лантана и магния. Этот материал играет роль не кремня, а стали. В традиционных зажигалках газ воспламеняют частички стали, высекаемые при ударе о кремень. В данном же случае, благодаря низкой температуре воспламенения церия, воспламеняются частицы ферроцериевого кремня при ударе о твердый металл.

В наши дни такие «кремневые» зажигалки входят в состав наборов для выживания в экстремальных условиях. Полоску ферроцерия приклеивают к небольшому куску магния, мягкого металла, который при сгорании дает высокую температуру. Техника добывания огня заключается в следующем: ножом нарезают небольшое количество магниевой стружки, а потом трением лезвия ножа о ферроцериевую полоску производят искры. Преимущество этой системы состоит в том, что в отличие от спичек, магний горит даже в мокром виде. Яркое пламя магния использовали на заре фотографии, когда пленка отличалась низкой чувствительностью. При фотографировании использовали лампы, в которых сгорали полоски магния.

Большой кусок магния поджечь очень трудно, поэтому набор безопасен, так как кусок магния не вспыхивает. Однако уже горящий магний невозможно потушить, так как магний горит даже в отсутствие кислорода – он взаимодействует с азотом с образованием нитрида магния. Заливание водой лишь усугубляет положение, потому что магний реагирует с водой, образуя горючий газ – водород. Именно поэтому магний применяют для изготовления зажигательных бомб. Во время Второй Мировой войны немецкие города превращались в море огня двухкилограммовыми магниевыми бомбами в результате термитной реакции внутри их корпуса. Алюминиевый порошок при соединении с оксидом железа выделяет огромное количество тепла и плавит железо, в результате чего воспламеняется магниевый корпус. Вспыхнувшая таким образом бомба поджигает все на своем пути.

Откуда берется магний? Это широкораспространенный в природе элемент, хотя в чистом виде он никогда не встречается. Атом магния находится в молекуле хлорофилла, вещества, благодаря которому углекислый газ и вода, улавливая энергию солнечного света, используют ее для синтеза глюкозы, из которой затем растение синтезирует множество самых разнообразных веществ – от ДНК до крахмала. Растения добывают магний из почвы, где он находится в форме разнообразных солей, таких, как карбонат магния. Это вещество является самым распространенным сырьем для производства металлического магния. Сначала карбонат магния нагревают и получают из него оксид магния, который затем восстанавливают до металлического магния реакцией с кремнием. В морской воде тоже содержится большое количество солей, из которых можно добыть металлический магний. В основном, это хлорид магния. При пропускании электрического тока через расплав хлорида магния на катоде получают магний, а на аноде – ионы хлора. Именно так Хэмфри Дэви в 1808 году впервые получил чистый магний.

Подумайте об этом, когда будете в следующий раз смотреть «Флинтстоунов», и не обращайте внимания на странное сосуществование людей и динозавров; авторы имеют право на художественный вымысел.