Текст книги "Удивительная химия"

Сколько в апельсине витамина С

В организме человека (в отличие от многих животных) аскорбиновая кислота не синтезируется, поэтому мы должны получать этот витамин с пищей (в среднем около 70 мг в сутки). Витамин С необходим для нормальной жизнедеятельности: он оказывает благотворное влияние на центральную нервную систему, повышает сопротивляемость организма при воздействии на него различных негативных факторов, в том числе возбудителей инфекционно-вирусных заболеваний, предотвращает цингу (на латыни цинга – scorbutus, т. е. «аскорбиновая» – дословно переводится как «против цинги»). Полезно знать, в каких продуктах много этого витамина. В основном богаты им овощи, фрукты, ягоды. Вот сколько миллиграммов аскорбиновой кислоты содержится в 100 г свежих продуктов: морковь, виноград – 5, свекла, репчатый лук, чеснок, сливы, летние яблоки – 10, салат, зимние яблоки – 15, картофель – 20, редис, помидоры, малина – 25, зеленый лук, крыжовник – 30, лимон – 40, клубника, ранняя капуста – 60, укроп – 100, петрушка (зелень) – 150, черная смородина, облепиха – 200, красный перец (сладкий) – 250, шиповник свежий – 650. Конечно, приведенные значения приблизительны, хотя бы потому что содержание витамина зависит от сорта растения, условий его роста, созревания плодов, их хранения и т. д. Тем не менее по ней вы можете ориентировочно определить, сколько аскорбиновой кислоты вы получаете в сутки из разных продуктов.

Анализ витаминов в продуктах питания – дело сложное. Но как раз витамин С – аскорбиновую кислоту – вы сможете проанализировать и в домашних условиях. Возможно, вы решили, что раз витамин С – кислота, то анализировать его будем с помощью щелочи. Но так не получится, потому что в соке различных плодов, кроме аскорбиновой, есть еще множество разных кислот: лимонная, яблочная, винная и другие. И отличить с помощью щелочи одну кислоту от другой не удастся. Однако у аскорбиновой кислоты есть свойство, которое отличает ее от всех других упомянутых кислот, – это быстрая реакция с иодом. Один моль аскорбиновой кислоты (176 г) реагирует с одним молем иода (254 г).

Для анализа можно использовать аптечную йодную настойку. Будем считать, что она 5 %-ная, это соответствует концентрации иода примерно 0,2 моль/л. Однако аскорбиновой кислоты в соке может оказаться так мало, что на титрование определенного объема сока (например, 20 мл) уйдет всего 1–2 капли йодной настойки, при этом ошибка анализа окажется очень большой. Чтобы результат был более точным, надо либо взять много сока, либо разбавить йодную настойку; в обоих случаях число капель иода, израсходованных на титрование, увеличится, что и сделает анализ точнее. Химики предпочитают второй путь. Поступим так и мы (заодно сэкономив сок для его прямого назначения). Добавим к 1 мл йодной настойки прокипяченной воды до общего объема 40 мл, т. е. разбавим настойку в 40 раз. Концентрация такого раствора будет около 0,005 моль/л; 1 мл его соответствует 0,88 мг аскорбиновой кислоты.

Если вы раньше не определяли объем одной капли, сделайте это сейчас: с помощью аптечной мензурки или шприца отмерьте 1 мл разбавленного раствора иода и посчитайте, сколько капель, внесенных обычной пипеткой, содержится в этом объеме. Для опыта понадобится также крахмальный клейстер; как его готовить, вы уже знаете.

Прежде чем приступить к анализу сока, хорошо бы потренироваться на растворе с известным содержанием витамина С. Для этого лучше всего подходит аскорбиновая кислота в таблетках, которая продается в аптеках. Одна таблетка может содержать 0,1 или 0,5 г чистого витамина. Растворите таблетку в 0,5 л кипяченой воды (воду отмерьте с помощью пол-литровой бутылки или банки), тщательно перемешайте и отберите с помощью шприца или аптечной мензурки 25 мл этого раствора. В этом количестве раствора аскорбиновой кислоты будет в 20 раз меньше, чем в таблетке. Добавьте к этому раствору половину чайной ложки раствора крахмала и осторожно, по каплям, добавляйте из пипетки разбавленный раствор иода, постоянно взбалтывая содержимое. Внимательно считайте капли и следите за цветом раствора. Как только вся содержащаяся в растворе аскорбиновая кислота прореагирует с иодом, следующая же его капля окрасит раствор в синий цвет. Титрование надо вести до появления устойчивого синего окрашивания. Определив число капель и, следовательно, объем израсходованного раствора иода, вы легко рассчитаете, сколько аскорбиновой кислоты было в стакане. Например, если на титрование ушло 6 мл раствора иода, то аскорбиновой кислоты в растворе было 0,88 мг · 6 = 5,28 мг, а в исходной таблетке – в 20 раз больше, т. е. 105,6 мг. Если ваша таблетка содержала 0,1 г (100 мг) аскорбиновой кислоты, то это означает, что точность вашего анализа (около 5 %) вполне достаточна, чтобы переходить к дальнейшим опытам.

Отожмите из лимона или апельсина 25 мл сока или возьмите такое же количество готового сока из пакета (только он должен быть светлым, так как в темном соке вы не увидите появление окраски иода с крахмалом). Титруйте сок так же, как и в «учебном» опыте с таблеткой. Если на указанное количество сока уйдет, допустим, 10 мл раствора иода, значит, в 25 мл сока было 8,8 мг аскорбиновой кислоты, а в 100 мл сока – 35,2 мг (содержание аскорбиновой кислоты обычно так и выражают – в миллиграммах на 100 мл или на 100 г продукта). Сравните полученный вами результат с концентрацией, что указана на упаковке сока. Если есть небольшие расхождения – не страшно: ведь анализ наш приблизительный, ошибки возникают из-за неточного определения объема сока, объема капли, концентрации иода и т. д. Если же с таблеткой все получилось правильно, а с соком – нет, значит, либо на упаковке неверные сведения, либо из-за неправильного или слишком долгого хранения сока витамин в нем частично разрушился – возможно, еще до того, как сок разлили в пакеты. Дело в том, что витамин С очень неустойчивый, легко разрушается кислородом воздуха, особенно на свету, а также в присутствии следов железа. При тепловой обработке продуктов (например, при варке картофеля или капусты) в них может остаться меньше половины витамина С.

Анализ в эмалированной кружке

Если вещество окрашено, химики для его анализа часто используют оптические свойства раствора: чем выше концентрация растворенного вещества, тем сильнее раствор этого вещества поглощает свет. Так, стакан со слабо заваренным чаем, оставаясь прозрачным, будет слабо поглощать свет, а стакан с крепким чаем, делаясь непрозрачным, будет очень сильно поглощать свет. Эту простую зависимость степени поглощения света от концентрации растворенного вещества можно выразить формулой

D = εcl,

где D — оптическое поглощение (оно измеряется специальным прибором – фотометром);

ε – (читается «эпсилон») коэффициент поглощения (для каждого вещества он свой);

l – длина пути (в сантиметрах), которую прошел свет в растворе;

с — концентрация вещества (в молях на 1 литр раствора).

Фотометр – прибор сложный, он есть только в лабораториях. Но, оказывается, для приблизительной оценки концентрации вещества иногда можно обойтись и без фотометра, проводя измерения, как говорится, «на глазок». Неужели это возможно?

Вот какая история произошла с моими знакомыми в турпоходе. Путешественники остановились на привал в лесу, у самой реки. Пора было готовить еду, но речная вода не внушала доверия – она явно пахла чем-то «керосиновым». К счастью, неподалеку оказался родник. Однако и с ним не все было в порядке: камни вокруг были какие-то ржавые, да и сама вода пахла «железом», как будто она долго текла по старой водопроводной трубе. Впрочем, многие слышали, что железо полезно для организма и есть особо богатые им минеральные воды (недаром известный курорт, расположенный недалеко от Пятигорска, называется Железноводском). Однако один из туристов – врач по профессии – заявил, что в минеральных водах железа обычно немного, редко больше 10 мг в литре. Если железа в воде намного больше, то она, безусловно, вредна и лучше не рисковать. Поскольку простого способа «убрать» из воды железо не существует, врач предложил вскипятить речную воду, заодно обработав ее марганцовкой – на случай, если в воде есть еще и микробы. Однако энтузиазма это предложение не вызвало. Вот если бы поточнее узнать, сколько железа в родниковой воде… Но как это сделать?

И тогда другой турист, который был химиком, вспомнил об анализе соединений железа, который ему часто приходилось выполнять в лаборатории. Там он добавлял к анализируемому раствору специальные реагенты, которые при взаимодействии с железом давали яркую окраску, а потом с помощью фотометра измерял поглощение света этим раствором в стеклянной кювете. Но ведь здесь не было ни химических реагентов, ни прозрачных кювет, ни фотометра. Зато были дубы! И химик рассказал товарищам, что он собирается сделать.

На нижней стороне дубовых листьев, обычно к концу лета, часто появляются красивые круглые орешки-галлы. Иногда их бывает так много, что листья буквально провисают под их тяжестью. Сначала галлы зеленые, потом они краснеют и выглядят как маленькие яблочки, прилипшие к листу. Самому дубу галлы ни к чему – они образуются на листьях дуба от укуса крохотной мушки – орехотворки. Самка мушки, откладывая яйца, ранит дубовый лист, вызывая образование на нем патологических наростов. Развивающиеся личинки надежно защищены под кожицей этих наростов. Когда орешки-галлы созревают, из них выводятся маленькие крылатые насекомые с четырьмя прозрачными крылышками. Галлы интересны тем, что содержат много танина – смеси дубильных веществ (танин содержится и в дубовой коре, но там его в 2–3 раза меньше).

Еще в древности орешки-галлы применяли в медицинской практике, да и сейчас раствор танина используют как прекрасное средство от ожогов: на «задубленной» им обожженной коже не образуются пузыри. Применяли галлы и для выделки кож, называя их «дубильными орешками». Но самое известное их применение было связано с изготовлением чернил; отсюда другое название галлов – «чернильные орешки». Для получения чернил к соку из галлов добавляли железный купорос или другие соли железа. На воздухе полученный раствор приобретал глубокий фиолетово-черный цвет. Реакция эта очень чувствительная: окрашивание происходит даже с очень малым количеством железа. Еще в XVII веке Роберт Бойль установил, что «одна крупинка купороса, растворенная в таком количестве воды, которое в шесть тысяч раз превышает ее вес, способна дать с дубильным орешком пурпурную настойку». Добавление к чернилам камеди – густого сока некоторых деревьев, например, вишни – придавало чернилам красивый блеск. Вот один из старинных рецептов приготовления черных чернил: камеди – 3 части, железного купороса – 2 части, чернильных орешков – 3 части, воды – 30 частей. Чернила эти очень устойчивы: сохранились, например, написанные ими средневековые рукописи.

Химик снял с листьев несколько орешков и выжал из них сок в кружку, наполненную родниковой водой. Каково же было удивление окружающих, когда вода сразу стала фиолетово-черной! Значит, в воде действительно много железа. Опыт произвел впечатление, но о том, что в воде есть железо, туристы догадывались и раньше. А вот как определить без приборов его концентрацию? Химик знал, что для окрашенных соединений, которые танин образует с солями железа, коэффициент ε в приведенной выше формуле равен примерно 4000. Знал он также, что глаз человека способен увидеть окраску раствора в том случае, если его оптическое поглощение D не меньше примерно 0,1. Поскольку анализ был приблизительным, большей точности не требовалось.

Сначала с помощью тех же галлов химик проверил, что в речной воде, как и следовало ожидать, железа нет. После этого он начал разбавлять «чернильный» раствор речной водой. Сначала раствор был разбавлен вдвое, потом еще вдвое, но он оставался почти таким же темным – его оптическое поглощение было все еще слишком велико. Но затем содержимое кружки стало быстро светлеть, вот уже отчетливо стали видны царапинки на ее белом эмалированном дне и, наконец, после шестого разбавления раствор приобрел едва заметный лиловый оттенок.

Опыт был закончен. Оставалось провести некоторые простые расчеты. Когда окраска в кружке едва заметна, оптическое поглощение раствора примерно равно 0,1. Высота жидкости в кружке – около 10 см, но так как свет проходит слой жидкости дважды – сначала вниз, а потом, отразившись от дна, – вверх, то длина его пути составляет 20 см. Теперь, подставляя числа в формулу:

с = D/εl,

можно рассчитать концентрацию (в моль/л):

с = 0,1 / (4000 · 20) = 1,25 · 10^-6.

Поскольку раствор был разбавлен вдвое последовательно 6 раз, исходная концентрация железа была в 64 раза больше (2⁶ = 64), т. е. железа было 8 · 10^-5 моль/л. Один моль железа – это 56 г, следовательно, в литре родниковой воды было 56 г/моль · 8 · 10^-5 моль/л = 4,5 · 10^-3 моль/л, или, после округления (анализ-то неточный), примерно 5 мг железа. Это, конечно, немало, однако, как заметил врач, в минеральной воде железа бывает и больше, поэтому пара стаканов такой воды никакого вреда человеку не принесет.

Химик выполнил свою задачу, обеспечив туристов водой. Врач же рассказал им еще много интересного о железе и его роли в жизни человека. Но это уже совсем другая история…

ХИМИКИ ИЗУЧАЮТ И ВЫРАЩИВАЮТ КРИСТАЛЛЫ

Кристаллы в природе и в лаборатории

Если вы когда-либо были в музее минералогии или на выставке минералов (если нет – не упустите при случае такой возможности!), вы не могли не восхититься изяществом и красотой форм, которые принимают «неживые» творения природы. А кто не любовался снежинками – кристаллами льда, разнообразие которых поистине бесконечно (рис. 5.1). Еще в XVII веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках». Спустя три столетия американский натуралист У. Бентли, более пятидесяти лет занимавшийся фотографированием снежинок под микроскопом, издал альбом, в котором представил тысячи фотографий, причем ни одна из них не повторяла другую.

^{Рис. 5.1. Эти красивые снежинки – лишь малая часть симметричных фигур, образуемых растущими кристаллами льда}

Наука о кристаллах началась с изучения горного хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы впервые были найдены еще в древности среди вечных снегов в Швейцарских Альпах. Некоторые кристаллы были настолько большими, что их с трудом могли поднять несколько силачей (рис. 5.2).

^{Рис. 5.2. Большой кристалл горного хрусталя}

Горный хрусталь – это чистый кристаллический кварц, соединение атомов кремния и кислорода. Но не менее красивы кристаллы кварца, окрашенные в различные цвета благодаря присутствию в них некоторых примесей: фиолетовые аметисты, желтые цитрины, коричневатый дымчатый кварц, переливающиеся всеми цветами радуги опал и яшма. В Оружейной палате Московского Кремля можно увидеть одежду и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами-самоцветами. Особенно много среди них аметиста (рис. 5.3). Огромными аметистами густого фиолетового цвета была украшена корона русской царицы Ирины Годуновой. В церквях аметистами нередко украшали иконы, алтари, кресты, панагии.

^{Рис. 5.3. Царский Большой наряд: шапка, держава, скипетр, украшенные кристаллами самоцветов}

Самые знаменитые кристаллы – алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты (рис. 5.4). В течение многих веков люди пытались разгадать тайну этих драгоценных камней. Когда же было наконец установлено, что алмаз – одна из разновидностей углерода, в это поверили не сразу: действительно, алмаз – символ не только богатства, но и необыкновенной твердости. Если же взять другую, наиболее распространенную в природе кристаллическую разновидность углерода – графит, то на память прежде всего приходят грифели карандашей – черные, жирные на ощупь и очень мягкие. Оказалось, что сверкающие кристаллы, с которыми связано столько романтических (и кровавых) историй, и невзрачный черный графит состоят из одних и тех же атомов углерода. Решающий опыт провел в 1772 году знаменитый французский химик A. Л. Лавуазье. Он обнаружил, что при сжигании алмаза и обычного угля получается одно и то же вещество – углекислый газ.

^{Рис. 5.4. Большая императорская корона российских царей, украшенная жемчугом и множеством бриллиантов}

Блестящие кристаллы алмаза находили на территории современной Индии еще 7 тысячелетий тому назад. Людей поражали их блеск, прозрачность (до изобретения стекла было еще далеко) и необычайная твердость. Алмаз унаследовал свое название от греческого слова «адамас», что означает нерушимый, непреодолимый. Не удивительно, что в древности этому камню приписывали чудесные свойства, он был предметом поклонения. Самые большие и красивые образцы вставляли в глазницы гигантских статуй Будды.

Приписывали алмазу и самые невероятные свойства. Не избежал фантастических вымыслов и римский ученый Гай Плиний Старший, давший первое подробное описание алмаза. В своей работе «Естественная история ископаемых тел» он пишет, что если поместить кристаллик алмаза между молотом и наковальней, то скорее они разлетятся вдребезги, чем повредится «царь камней». На самом деле алмаз очень хрупок и совершенно не выдерживает ударов.

Чаще всего крупные алмазы находят в виде неправильной глыбы, мало отличающейся по форме от обычного булыжника. Именно таким был и самый большой из найденных когда-либо алмазов – «Куллинан». Его обнаружили 26 января 1905 года в Южной Африке в руднике «Премьер» и назвали по имени президента компании «Премьер Дайамонд Майн» сэра Томаса Куллинана (в 1922 году эта компания вошла в состав знаменитой ныне «Де Бирс»). Этот камень размером с кулак весил более 600 граммов! Причем его форма свидетельствовала о том, что это лишь часть более крупного камня. Когда ценнейший подарок доставили английскому королю Эдуарду VII, тот был явно разочарован. «Попадись этот камень мне, – сказал король, – я бы принял его за обыкновенную стекляшку и презрительно отшвырнул ногой!» Но прожил «Куллинан» всего три года – его раскололи и распилили на сотни кусков и кусочков. Из них после огранки получили 105 бриллиантов, из которых девять были весьма крупными. Самый большой, массой 106 г, названный «Куллинан I», был вмонтирован в верхнюю часть скипетра английского монарха. Этот самый большой в мире ограненный алмаз хранится вместе с другими сокровищами английской короны в Тауэре. Второй по величине бриллиант, «Куллинан II» (63,5 г), был вмонтирован в корону Британской империи.

Кстати, массу алмазов и бриллиантов выражают не в граммах, а в каратах; 1 карат = 0,2 г. И мало кто знает, что алмаз характеризуется необычайно высокой для неметаллов теплопроводностью; поэтому крупные алмазы на ощупь всегда холодные – как куски металла.

Геологам всегда было интересно, как давно в недрах Земли образовались алмазы. Но как это определить? Недавно в руки геологов попали южноафриканские алмазы, содержавшие включения граната в виде красивых мелких кристалликов, в которых оказались небольшие примеси самария. Этот редкоземельный элемент имеет разновидность (изотоп), который очень медленно распадается (период полураспада составляет 106 миллиардов лет). При этом он превращается в другой редкоземельный элемент – неодим. По количеству этого неодима, зная скорость его образования, можно определить возраст алмаза, т. е. время, когда в него попал самарий. Как показали расчеты, самарий попал в гранат 3,2–3,4 миллиарда лет назад. И если возраст Земли оценивается примерно в 4,6 миллиарда лет, то этот кристалл алмаза ненамного моложе нашей планеты.

И алмаз, и графит – кристаллы. Почему же их свойства так разительно отличаются? Это объясняется разным способом соединения атомов углерода друг с другом. В алмазе все связи между атомами углерода одинаковые и прочные, твердым получается и сам кристалл. Кристалл же графита имеет слоистое строение, в нем атомы углерода прочно связаны друг с другом только в одном слое. Такой кристалл похож на пачку бумаги, которую очень трудно разрезать пополам, но легко рассыпать на отдельные листочки.

Алмазы образуются в недрах Земли в условиях очень высоких температур и давлений. Спустя почти два столетия после опыта Лавуазье ученые смогли создать в лаборатории условия, при которых из графита можно получить алмаз. В настоящее время производство искусственных алмазов исчисляется десятками тонн! Есть среди них и ювелирные, но основная масса искусственных алмазов идет на изготовление разнообразных инструментов.

Искусственным путем люди научились получать очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, многие слышали о фианитах (их название происходит от сокращения ФИАН – Физический институт Академии наук, где их впервые получили). Бесцветные фианиты на глаз трудно отличить от алмаза – так красиво они «играют» на свету.