Химия вокруг нас

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

Страницы: 1, 2, 3, 4