Шановні друзі! Закінчилися канікули, попереду у вас новий навчальний рік. Хтось тільки почне вивчати хімію в цьому році, хтось вже може вважати себе знавцем цього предмета, але в будь-якому випадку наш цікавий журнал буде вам потрібен. На його сторінках ви знайдете і матеріал для повідомлень на уроках, і новини науки, і історичні відомості. Нестандартні задачі допоможуть вам під час підготовки до хімічних олімпіад, а завдання по простіше — у підготовці до уроків. Досить нескладні й цікаві досліди дозволять вам краще зрозуміти хімічні процеси і прищеплять навички хімікапрактика. Ми продовжимо знайомити вас із найцікавішою та найпотрібнішою наукою — хімією, без знань якої багато явищ навколо вас (і всередині вас) залишаться загадкою. Залишайтеся з нами, розкажіть про нас вашим друзям — буде цікаво! Редакція журналу «Хімія для допитливих»
2
флуор
7
випадкові відкриття
8
перфлуорвуглеці
10 миша як риба 15 два нових елементи
таблиці менделеєва офіційно одержали імена
16 лакмус 20 аерогель 24 морозиво 29 7 речовин,
що порушують правила фізики
30 готуємося
до олімпіади
32 Озон
ФЛУОР
Найбільш активний, найбільш електронегативний, найбільш реакційно здатний, найбільш агресивний елемент, най-най… неметал. Найбільш, найбільш, найбільш... Це слово або його синоніми нам доведеться повторювати дуже часто. Адже йдеться про Флуор.
кристал флюориту (плавикового шпату)
Особливості будови Флуору Флуор (лат. Fluorum), F, — хімічний елемент із атомним номером 9, відносна атомна маса 18,998403. Елемент Флуор розташований у другому періоді в VIIА підгрупі періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Ця підгрупа дістала назву «галогени», що перекладають як «ті, що народжують солі». Флуор перший у цій групі неметалічних елементів. Природний фтор складається з одного стабільного нукліда 19F. Конфігурація зовнішнього електронного шару 2s22p5. У сполуках він проявляє тільки один ступінь окиснення –1 (валентність I). За шкалою Полінга електронегативність Флуору 4 (найвище значення серед всіх хімічних елементів). Флуор — найактивніший неметалічний елемент. Як і інші галогени, проста речовина фтор існує у вигляді двохатомних молекул F2. Між’ядерна відстань у молекулі 0,14165 нм. Молекулу F2 характеризує аномально низька енергія дисоціації на атоми (158 кДж/моль), що, зокрема, обумовлює високу реакційну здатність флуору.
Відкриття й одержання флуору Уперше існування флуору припустив ще в XVIII столітті великий хімік Лавуазьє, але тоді він не зміг виділити його зі сполук. Безліч учених намагалися одержати невловимий флуор, але зазнавали невдачі. Сам Г. Деві, який першим одержав прості речовини натрій (Na), калій (K), кальцій (Ca) та інші елементи, у результаті експериментів з одержання флуору шляхом
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Флуор або фтор? Елемент № 9 хімічно дуже агресивний. У перекладі із грецької «фтор» означає «руйнівний» — надзвичайно підходяща назва. Однак за кордоном більш поширене інше ім’я елемента № 9 — Флуор, що в перекладі з латини означає «текучий». Ця назва більше підходить не до флуору, а до деяких його сполук і бере свій початок від флюориту, або плавикового шпату, — першої сполуки Флуору, використаної людиною. Очевидно, ще в давнину люди знали про здатність цього мінералу знижувати температуру плавлення авлення руд і металургійних х шлаків, але, природно, не знали його складу. Флуором уором назвали головну овну складову частину стину цього мінералу, нералу, ще невідомий на той час елемент. мент.
МАНДРИ ТАБЛИЦЕЮ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА
електролізу отруївся й тяжко занедужав. Імовірно, під враженням всіх цих невдач 1816 року для нового елемента було запропоновано хоча й подібну за звучанням, але зовсім іншу за змістом назву — фтор (від
грецьк. phtoros — руйнування, загибель). Цю назву елемента прийнято тільки в російській мові, французи ж і німці продовжують називати його fluor, англійці — fluorine. Одержати флуор у вільному вигляді не зміг і видатний учений М. Фарадей. Тільки 1886 року французький хімік А. Муассан, використовуючи електроліз рідкого гідроген флуориду HF, охолодженого до температури –23°C (у рідині має міститися небагато калій флуориду KF, який забезпечує її електропровідність), зміг на аноді одержати першу порцію нового, надзвичайно реакційноздатного газу.
Поширення в природі Лев, який пожирає Сонце Цей символ означав в алхіміків процес розчинення золота в царській горілці — суміші нітратної й хлоридної кислот. Всі дорогоцінні метали хімічно дуже стійкі. Золото не розчиняється ні в кислотах (крім селенової), ні в лугах. І тільки царська горілка «пожирає» і золото й навіть платину. Наприкінці 30-х років в арсеналі хіміків з’явилася речовина, проти якої неспроможний навіть «лев».
МАНДРИ ТАБЛИЦЕЮ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА
Уміст Флуору в земній корі досить значний й становить 0,095 % за масою (значно більше, ніж найближчого аналога Флуору по групі — Хлору). Через високу хімічну активність флуор у вільному вигляді, зрозуміло, не трапляється. Найважливіші мінерали Флуору — це флюорит (плавиковий шпат), а також фторапатит 3Ca3(PO4)2· CaF2 і кріоліт Na3AlF6. Флуор як домішка входить до складу багатьох мінералів. Він міститься в підземних водах; у морській воді фтору — 1,3 ·10-4 %.
Фізичні властивості За нормальних умов флуор — отруйний газ, що вирізняється різким запахом та блідим жовтим кольором (густина 1,693 кг/м3). Його запах настільки різкий, що вистачить мільйонної частки, щоби людина могла його відчути в повітрі. Температура кипін-
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
ня –188,14 °C, температура плавлення –219,62 °C.
Хімічні властивості Щоби характеризувати високу активність флуору, наведемо приклад: гаряча вода згоряє в струмені флуору з утворенням кисню. Справді ж винятковий випадок? Кисень виявився раптом не причиною, а наслідком горіння: 2F2 + 2H2O = 4HF + O2 Не тільки вода, але й інші зазвичай негорючі матеріали, такі як азбест, цегла, багато металів, загоряються в струмені флуору. Бром, йод, сірка, селен, телур, фосфор, миш’як, сурма, кремній, деревне вугілля самозаймаються у флуорі вже за звичайної температури, а за невеликого нагрівання та сама доля спіткає й благородні платинові метали, відомі своєю хімічною пасивністю. З усіх елементів із флуором не утворюють флуоридів тільки два легких інертних гази — гелій і неон. Флуор реагує з вибухом в разі простого контактування з воднем: H2 + F2 = 2HF При цьому утворюється газ гідроген флуорид HF, необмежено розчинний у воді з утворенням порівняно слабкої плавикової кислоти. Флуор взаємодіє із більшістю неметалів. Так, під час реакції флуору із графітом утворюються сполуки загальної формули CFx, під час реакції флуору із силіцієм (Si) — флуорид SiF4, з бором — трифлуорид BF3. Внаслідок узаємодії флуору із сіркою (S) утворюються сполуки SF6 й SF4 і т. ін.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Пластмасова платина Не по зубах царській горілці виявилася пластмаса — фторопласт-4, відома також під назвою тефлон. Молекули тефлону відрізняються від поліетиленових тим, що всі атоми Гідрогену, які оточують головний ланцюг (... –C –C –C... ), замінено Флуором. Фторопласт-4 одержують полімеризацією тетрафлуоретилену — безбарвного неотруйного газу. Полімеризацію тетрафлуоретилену було відкрито випадково. 1938 року в одній із закордонних лабораторій раптово припинилася подача цього газу з балона. Коли балон відкрили, з’ясувалося, що він заповнений невідомим білим порошком, який виявився політетрафлуоретиленом. Дослідження нового полімеру довело його дивовижну хімічну стійкість і високі електроізоляційні властивості. Зараз із цього полімеру пресують багато найважливіших деталей літаків, машин, верстатів.
МАНДРИ ТАБЛИЦЕЮ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА
фтор — отруйний газ, що вирізняється різким запахом та блідим жовтим кольором
вироби з тефлону МАНДРИ ТАБЛИЦЕЮ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА
Відомо багато сполук Флуору з іншими галогенами, наприклад BrF3, IF7, CIF, CIF3 та інші, причому бром (Br2) і йод (I2) запалюються в атмосфері флуору за звичайної температури, а хлор (Cl2) взаємодіє із флуором за нагрівання до 200–250 °С. Не реагують із флуором безпосередньо, крім зазначених інертних газів, також азот (N2), кисень (O2), алмаз, вуглекислий і чадний гази. Внаслідок узаємодії флуору з вуглеводнями відбувається їх деструкція, яка супроводжується одержанням флуоровуглеців різного складу. Тому флуорувати безпосередньо органічні сполуки із заміною одного атома Гідрогену на Флуор (як у випадку із хлором) не вийде. За невеликого нагрівання (100–250 °C) флуор реагує зі сріблом (Ag), ванадієм (V), ренієм (Re) і осмієм (Os). Із золотом (Au), титаном (Ti), ніобієм (Nb), хромом (Cr) і деякими іншими металами реакція за участі флуору починає відбуватися за температури вище 300–350 °C. Слід зазначити, що вже згадуваній плавиковій кислоті HF відповідають не тільки середні флуориди типу NaF або CaF2, але й кислі флуориди — гідрофлуориди типу NaHF2 і KHF2. Синтезовано також велику кількість різних флуорорганічних сполук, у тому числі й знаменитий тефлон — полімер тетрафлуоретилену. Про органічні сполуки Флуору читайте в статті «Перфлуорвуглеці». Тамара Гранкіна
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
ВИПАДКОВІ ВІДКРИТТЯ САХАРИН
Речовина Куртуа
1879 року в лабораторії професора Ремсена працював хімік із царської Росії (емігрант) Фальберг. Якось, прийшовши з лабораторії додому обідати, він здивувався, чому хліб такий солодкий. Жінка запевняла його, що хліб звичайний, зовсім не солодкий. Фальберг попросив жінку дати йому кусень, щоби він міг відкусити від нього, не беручи до рук. Хліб, дійсно, виявився… звичайним на смак. Чому хліб спочатку здався вченому солодким, а потім несолодким? На руках ученого зберігся смак тієї речовини, яку він готував у лабораторії. Так випадково було відкрито сахарин — замінник цукру. Одержана вченим сполука виявилася у 280 разів солодша за цукор. (Докладніше читайте про сахарин у попередньому номері в статті «Замінники цукру».)
Якось, зачиняючи аптеку, аптекар Куртуа вирішив вигнати кішку на вулицю. Перелякана кішка стрибнула з полиці й перекинула склянку з концентрованою сульфатною кислотою. Склянка впала, розбилася, кислота пролилася на попіл із водоростей. Здивований аптекар відразу побачив фіолетовий дим. Так випадково було відкрито нову речовину — йод («йодос» перекладається як фіолетовий). У складі попелу водоростей є калій йодид. 6KI + 4H2SO4 2I2 + I2S + 3K2SO4 + 4H2O
структура молекули сахарину
костянтин костя я фальберг
ХІМІЯ ДЛЯЯ ДОПИТЛИВИХ ДОПИТЛИВИХ № №9 9 (( 2 20 01 12 2 ))
МАНДРИ ІСТОРІЯ ТАБЛИЦЕЮ ХІМІЇ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА
ПЕРФЛУОР-
ВУГЛЕЦІ Цікавий клас утворюють сполуки Флуору й Карбону, іменований флуорвуглеці. Флуорвуглеці являють собою аналоги вуглеводнів, у яких всі атоми Гідрогену заміщено атомами Флуору. Друга назва класу цих речовин — перфлуорвуглеці. Заміна атомів Гідрогену на атоми Флуору кардинально змінює властивості речовини, роблячи речовину унікальною і незамінною у багатьох сферах.
Унікальність будови речовин цього класу полягає у зв’язку Карбон–Флуор, який є найміцнішим одинарним зв’язком в органічній хімії. Це означає, що змусити реакцію відбуватися, досягнувши при цьому розриву зв’язку Карбон–Флуор, дуже складно. А оскільки в перфлуорвуглецях є тільки зв’язки С–F й C–C, то ці сполуки вкрай мало реакційноздатні. Перфлуорпохідні алканів — гази або рідини, які не горять, стійкі до впливу лугів і кислот. Але так само, як і вуглеводні, вони розкладаються за сильного нагрівання, внаслідок чого C–C зв’язок розривається. З 30-х років XXст. основною проблемою було одержання перфлуорвуглеців: спроба профлуорувати відповідні вуглеводні не була успішною, оскільки навіть у темряві й за сильного охолодження відбувається окиснення й навіть вибух з утворенням перфлуорметану, -етану й -пропану. Але цю проблему було розв’язано під час Другої світової війни. Так, було налагоджене одержання флуорвуглеців шляхом використання більш м’якого окисника — кобальт(III) флуориду, а пізніше — шляхом електролізу речовини в розчині флуороводневої кислоти. Найвідомішим і використовуваним перфлуорвуглецем є тетрафлуорполіетилен, або тефлон. У більшості кухонь є сковорідки з антипригарним тефлоновим покриттям. Антипригарність покриття полягає в тому, що тефлон не змочуваний ні водою, ні олією, ні багатьма органічними розчинниками, тобто площа контакту тефлону й будь-якої іншої речовини мінімальна, отже, зона із пригорілою їжею вкрай мала. Але варто пам’ятати, що покритий тефлоном
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
посуд не можна залишати порожнім на відритому вогні й нагрівати вище 300 °C, тому що під час нагрівання тефлон розкладається й виділяються отруйні речовини, які можуть спричиняти рак! Якщо ж у цьому посуді міститься вода або олія, то не варто турбуватися, тому що вони не дадуть нагрітися вище за температури свого кипіння. Однак застосування тефлону не обмежується лише його антипригарними властивостями. Його ще використовують для змащування малонавантажених вузлів, оскільки в нього найменше значення коефіцієнта тертя. Цікаво те, що по тефлоновій стіні не здатні повзти комахи! Також його використовують в електроніці, для виготовлення імплантів у хірургії, в авіації. Цікавою властивістю рідких перфлуорвуглеців є їхня властивість добре розчиняти гази, у тому числі кисень і вуглекислий газ. Багато циклічних флуорвуглеців можуть розчинити більше кисню, ніж кров. Низькотоксичні, інертні й нерозчинні у воді перфлуорвуглеці можна використовувати в деяких ситуаціях для рідинного дихання. Про це читайте статтю в цьому номері «Миша як риба». Похідні перфлуорвуглеців, які мають довгий карбоновий хвіст, є гарними поверхнево-активними речовинами. Наприклад, перфлуорсульфооктанову кислоту широко застосовують для створення водонепроникних і плямовідштовхувальних тканин, як відмінний піноутворювальний компонент для гасіння пожеж, як рідину для гідравлічних систем. Андрій Вареніков РЕЧОВИНИ ЗВИЧАЙНІ ТА НЕ ДУЖЕ
Кадр з фільму грегорі кольбера «ПОпіл та сніг»
МИША ЯК РИБА
Вивчення унікальних властивостей перфлуорвуглеців як основи кровозамінників почалося із двох експериментів, які стали тепер класичними. 1962 р. у журналі Nature американський лікар І. Кілстра опублікував статтю під сенсаційною назвою «Миша як риба». Він показав, що миша може залишатися живою, будучи зануреною у фізіологічний розчин, насичений киснем під високим тиском.
Через чотири роки його співвітчизники й колеги Л. Кларк і Ф. Голлан одержали такий самий ефект за нормального атмосферного тиску. Замість води вони використовували рідкий перфлуорвуглець. Легені піддослідного пацюка наповнювали рідиною, після він пірнав на дно посудини, але, на диво експериментаторів, продовжував дихати ще протягом 10 хвилин. Наочна демонстрація газотранспортних властивостей перфлуорвуглеців наштовхнула на думку використовувати їх як основу під час створення кровозамінників.
Блакитна кров Кровозамінні препарати на основі перфлуорвуглеців зазвичай являють собою емульсії з перфлуорвуглецевих часточок розміром 0,05–0,1 мкм. Вони мають блакитнуватий відтінок, що пов’язане з розсіюванням білого світла малими частинками. Це послужило приводом для того, що в засобах масової інформації кровозамінники на основі перфлуорвуглеців почали називати «блакитною кров’ю». Причиною застосування перфлуорвуглеців замість крові стала їх здатність чудово розчиняти в собі деякі гази. Так, вони можуть увібрати в себе до п’ятдесяти об’ємних відсотків кисню й майже до двохсот відсотків вуглекислого газу! Зараз розроблено спеціальні суміші на основі флуорвуглеців для тимчасового використання їх як штучної крові в разі великих крововтрат. Особливо це ефективно в екстремальних умовах (великі катастрофи, аварії, війни). Штучна кров урятувала життя
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Донорська кров — поцілунок смерті чи дарунок життя? «Чаша терезів» схиляється на користь першого твердження. Головним аргументом у суперечці править вже не тільки загроза перенесення з донорською кров’ю численних інфекцій (СНІДу, вірусного гепатиту, цитомегаловірусів, малярії, герпесу, вірусу Епштейна–Бара й багатьох інших), але й реакції реципієнтів на її введення. Безперервне відкриття нових, раніше не відомих інфекцій, імунологічні проблеми сумісності (переливання крові аналогічне пересадженню органів) і релігійні обмеження, які забороняють переливання людині чужої крові, перешкоджає використанню донорської крові. Крім того, численні техногенні катастрофи й локальні військові конфлікти, під час яких часу для визначення групової сумісності зазвичай обмаль і потрібна відразу велика кількість крові, засвідчують необхідність створення повноцінних штучних кровозамінників.
РЕЧОВИНИ ЗВИЧАЙНІ ТА НЕ ДУЖЕ
більш насущних проблем у медицині. Але розв’язати її зовсім не просто. Наприклад, оскільки перфлуорвуглеці у півтора-два рази важчі за воду, то застосовувати їх для рідинної вентиляції — промивання легенів, що, здавалося б, вповні зрозуміло, не можна: вони швидко розірвуть легені. Також непросто використати їх і для взаємодії з іншими органами. Для кожного конкретного випадку треба шукати свої підходи, а це може тривати роками й десятиліттями.
Чотири напрямки використання перфлуорвуглеців у медицині 1. Штучна кров (про це ми тільки-но Мишу занурено в рідкий перфлуорвуглець, який насичують за атмосферного тиску й за кімнатної температури киснем з повітря. Кисень, поглинутий з перфлуорвуглецю, дозволяє їй залишатися живою, перебуваючи під шаром рідини.
багатьох солдатів під час Афганської війни. Більше того, цей препарат показав себе чудовим захисником клітин — у разі найскладніших травм чи опіків клітини, «оброблені» перфлуорвуглецем, не руйнуються. Однак, переносячи гази по кров’яному руслу, вони не виконують інших функцій крові — транспортування поживних речовин, регуляції, зсідання й захисту. Кровозамінник, який не спричиняє ускладнень під час переливання крові та підходить усім пацієнтам, — одна із найРЕЧОВИНИ ЗВИЧАЙНІ ТА НЕ ДУЖЕ
говорили). 2. Штучні легені. Коли хворі легені вже не постачають кров киснем у достатній кількості, людині загрожує загибель. У разі двостороннього ураження легенів хворого в барокамеру не помістиш: легені порвуться. Штучна вентиляція теж неможлива: результат буде той самий. У цих випадках на допомогу приходять так звані оксигенатори — прилади, які беруть на себе функцію легенів. Вони насичують кров киснем, дозволяючи лікарям виключити з роботи на певний час рідні легені, щоби провести операцію або інше лікування. Наявні дотепер типи оксигенаторів не вирішували цієї проблеми повністю. Російські вчені створили й уперше у світі застосували в клініці перфлуорвуглецеві оксигенатори. У нових приладах насичується киснем не кров, а сам перфлуорвуглець. А вже потім кров, протікаючи над ним, забирає
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
кисень у потрібних кількостях і розносить її організмом, проходячи крізь перфлуорвуглець, як крізь стінки альвеол легенів. Цей прилад може працювати кілька діб, не завдаючи ніякої шкоди організму, а за цей час хворого можна врятувати. 3. Культивування клітин на флуорвуглецевих підкладках. Сьогодні для одержання вакцини проти важких захворювань хвороботворні мікроби, коки, палички вирощують у лабораторіях у спеціальних поживних бульйонах. Але далеко не всі мікроби ростуть у бульйоні. Наприклад, якщо говорити про паличку лепри, то немає такого бульйону, у якому б вона розвивалася. Тому вчені й не можуть створити вакцину проти прокази, і ця страшна хвороба ще лютує в деяких районах земної кулі. Утім, є й перші успіхи: отримано дані, що паличка лепри може рости на флуорвуглецевих підкладках. Якщо ці дані підтвердяться, світ стоїть на порозі епохального відкриття — створення ліків проти хвороби, яка тисячоріччями жахала людство. 4. Реалізація фантастичної ідеї: дихати у воді. Утім, причини, які спонукають учених працювати в цьому напрямку, далекі від фантастики. Ми все далі й далі йдемо на дно морське в пошуках нафти, металів, золота, борознимо океани підводними човнами. І коли в разі катастрофи або надзвичайної ситуації необхідно швидко піднятися на поверхню, ми не зможемо цього зробити: у крові скипає азот, якого в повітрі майже вісімдесят відсотків. Жертв катастрофи зазвичай доводиться піднімати повільно, із частими зупинками, і все ж
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
штучна шкіра з перфлуорвуглеців таки нерідко на поверхню доправляють вже трупи. А якщо замінити азот у дихальній суміші флуорвуглецем? Не газом, а рідиною, яку наситити киснем. І тоді можна піднімати людину з будь-якої глибини зі швидкістю звуку. А в її легенях замість повітря буде пульсувати рідкий розчин. На жаль, саме цей напрямок пошуку, який має, безсумнівно, багатообіцяючу пляшки зі штучною кров’ю Oxycyte, що являє собою комплекс перфлуорвуглеців
РЕЧОВИНИ ЗВИЧАЙНІ ТА НЕ ДУЖЕ
перспективу, поки ще дуже далекий від клінічного розв’язання. Вся проблема у власне перфлуорвуглецях, які, нагадаємо, удвічі важчі від води й через кілька годин безпосереднього дихання ними рвуть легені. Вченим потрібний перфлуорвуглець, який був би важче води не більш ніж в один і три десятих раза. Ведуться його інтенсивні пошуки, але... Справа в тому, що перфлуорвуглеців кілька тисяч, а вивчити вченим удалося поки що кількадесят сполук. Тож коли вони у своїх пошуках натраплять на перфлуорвуглець, який відповідає всім вимогам, угадати неможливо.
Перспективи Але робота триває. І сьогодні вже отримано новий результат — штучна шкіра.
РЕЧОВИНИ ЗВИЧАЙНІ ТА НЕ ДУЖЕ
У разі значних опіків перфлуорвуглеці дозволяють покрити уражені ділянки свого роду замінником шкіри, на якому ростуть клітини і крізь який не проникає інфекція. Так сьогодні рятують потерпілих, раніше приречених на загибель. Ще приклад. Перфлуорвуглеці роблять ракові клітини більш сприйнятливими до хіміотерапії — вони легше руйнуються. І таких нових способів застосування перфлуорвуглеців ми відкриваємо дедалі більше й більше. Не будемо розповідати про все. Скажемо тільки, що перфлуорвуглеці посідатимуть у медицині ХХI століття одне з головних місць. Тамара Гранкіна
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Два нових елементи таблиці Менделєєва офіційно одержали імена
Міжнародна спілка теоретичної й прикладної хімії (ІЮПАК) офіційно надала назви «Флеровій» і «Ліверморій» 114-му й 116-му елементам таблиці Менделєєва, синтезованим російськими вченими за сприяння американських колег. «Пріоритет у відкритті цих елементів закріплено… за групою учених з Об’єднаного інституту ядерних досліджень (ОІЯД, Дубна, Росія) і з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (Каліфорнія, США). Ця група запропонувала назви «Флеровій» (Flerovium) і «Ліверморій» (Livermorium), які тепер формально схвалені ІЮПАК», — йдеться в повідомленні на сайті спілки. Елементи з атомними номерами 114 і 116 було вперше синтезовано на циклотроні Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова в ОІЯД. Ці експерименти проводила група російських учених під керівництвом академіка Юрія Оганесяна за участі американських колег. Елемент під номером 114 було отримано 2000 року шляхом бомбардування
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
на прискорювачі мішені із Плутонію-242 ядрами Кальцію-48, а 116-й елемент — 2004 року в реакції Кальцію-48 і Кюрію-245. Флеровій дістав свою назву на честь Лабораторії ядерних реакцій імені Флерова ОІЯД, яка є визнаним лідером галузі синтезу надважких елементів. Георгій Флеров — радянський фізик-ядерник, фахівець в галузі поділу ядер, синтезу нових хімічних елементів, нових видів радіоактивності. Учасник створення радянської ядерної зброї. 1940 року разом з Костянтином Петржаком відкрили новий тип радіоактивних перетворень — спонтанне ділення ядер Урану. Завдяки ідеям Флерова в ОІЯД було отримано цілий ряд хімічних елементів. Ліверморій (Livermorium, Lv) було запропоновано назвати на честь Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса й місця її розташування, міста Лівермор у штаті Каліфорнія. Його вчені вже понад 20 років беруть участь в експериментах з синтезу нових елементів, проведених у Дубні. Нова спільна робоча група, заснована керівниками ІЮПАК, почала роботу із установлення пріоритету в одержанні інших поки безіменних надважких елементів — 113-го, 115-го, 117-го й 118-го. Офіційно визнані першовідкривачі дістануть право пропонувати для них назви. Всі ці елементи також було синтезовано вченими ОІЯД. За матеріалами видання «РИА Новости»
ІНТЕРНЕТНОВИНИ
ЛАКМУС Лакмус — це фарба, яка у нейтральних водних розчинах має фіолетовий відтінок; його використовують для визначення кислотності (стає червоною) або лужності (стає синьою). Лакмус — це рослинний пігмент, одержуваний з деяких видів лишайника, який має червоний колір в кислому і синій у лужному середовищі; застосовують як нейтральний індикатор для якісного визначення активної реакції середовища.
Основні характеристики лакмусу Хто з хіміків не знає, що лакмус — індикатор? Звичайно ж, усі! Індикатор, як відомо, щось має показувати. Що ж показує лакмус? Це індикатор для визначення рН або, простіше, реакції середовища; у кислому середовищі спостерігають червоне забарвлення лакмусу, у лужному — синє, а в нейтральному середовищі — фіолетове. Запах лакмусу схожий на нашатирний спирт. Найбільш істотною складовою частиною лакмусу є речовини азолітмін C9H10NO5 і еритролітмін C13H22O6 . Використовують його або у вигляді розчину (тоді до досліджуваної речовини додають лакмус), або частіше у вигляді так званого індикаторного паперу. Ним зручніше користуватися.
Лакмус із геліотропа Лакмус — імовірно, найстаріший кислотно-основний індикатор. Ще 1640 р. ботаніки описали геліотроп (Heliotropium Turnesole) — запашну рослину з темно-ліловими квітками, з якої було виділено барвник. Цей барвник, нарівні із соком фіалок, хіміки почали активно застосовувати як індикатор, який у кислому середовищі був червоним, а в лужному — синім. Про це можна прочитати в працях знаменитого фізика й хіміка XVII століття Роберта Бойля. Спочатку з допомогою нового індикатора досліджували мінеральні води, а приблизно з 1670 року його почали використовувати в хімічних дослідах.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
«Щойно додаю доволі незначну кількість кислоти, — писав 1694 року французький хімік П’єр Поме про «турнесоль», — він стає червоним. Тому якщо хтось хоче довідатися, чи міститься в чому-небудь кислота, його можна використовувати». А 1704 року цей індикатор одержав свою нинішню назву — лакмус. Назва «лакмус» прижилася в усіх мовах, крім французької. Французькою лакмус перекладають як tournesol, що означає «який повертається за сонцем», а грецькою те саме означає слово «геліотроп». Трохи пізніше було виявлено, що лакмус можна одержувати дешевше, наприклад, з деяких видів лишайників.
Лакмусовий лишайник Під цією назвою відомо кілька видів лишайників, які використовують для добування й приготування лакмусу. Найбільш важливі з них такі два види: Геліотроп (Heliotropium Turnesole)
ХІМІЧНА ЛАБОРАТОРІЯ
лишайник Ochrolechia
лишайник Roccella tinctoria
1. Ochrolechia (або Lecanora) — корковий лишайник білого або сіро-зеленого кольору; апотеції в нього плоскі, червонуваті, круглі, з товстим цільним краєм. Росте цей лишайник на землі в Західній Європі, переважно ж у великих кількостях по скелястих морських узбережжях Шотландії, Норвегії й Швеції. Він містить синій барвник, і його використовують для добування лакмусу (Lacmus, LaccaMusci). У великих кількостях цей лишайник збирають у Швеції, чому й називають в торгівлі «шведським мохом». 2. Roccellatinctoria DC. — лишайник, який має вигляд невеликого кущика до 16–20 см заввишки та складається з безлічі тонких (до 1–3 мм завтовшки), борошнистих, білуватих або жовтуватих, гілочок, які відходять від одного пункту.
Цей лишайник росте на скелях на Азорських і Канарських островах, по узбережжю Середземного моря, у Сенегамбії, Капській землі, в Індії. На Канарських островах його збирають 2600 центнерів за рік, хоча збирачам доводиться лазити по крутих стрільчаках і часто ризикувати своїм життям. Інші види Roccella також використовують для виготовлення лакмусу.
ХІМІЧНА ЛАБОРАТОРІЯ
Лакмусовий папір Лакмусовий папір застосовують для ідентифікації кислот і основ. У лакмусу, порівняно з іншими індикаторами, відносно незначна похибка у визначенні середовища речовини. Для нейтрального середовища — 6 ≤ pH ≤ 8, для кислого середовища pH ≤ 6, для лужного — pH ≥ 8.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
У нейтральному середовищі лакмус фіолетовий, у лужному змінює забарвлення на синє, у кислому — на червоне. Але перехід від фіолетового в синє або червоне не завжди добре помітний, тому, окрім фіолетового паперу, виготовляють ще червоний (ним краще визначати луги) і синій (ним краще визначати кислоти). Виготовлення синього лакмусового паперу: фільтрувальний папір просочують 0,1%-м або 1%-м водним розчином азолітміну й висушують в умовах повної відсутності в повітрі випарів кислот. Виготовлення червоного лакмусового паперу: розчин азолітміну спочатку підкислюють етановою кислотою й отриманим червоним розчином просочують фільтрувальний папір. Інший варіант: синій лакмусовий папір, ще вологий, проводять над злегка нагрітим розчином етанової кислоти доти, поки папір не почервоніє. zЧервоний лакмусовий папір — змінює колір із червоного на синій, одночасно змінюючи під час переходу з кислотної ділянки в лужну значення рН-зразка. z Синій лакмусовий папір — змінює колір із синього на червоний, одночасно змінюючи під час переходу з лужної ділянки в кислотну значення рН-зразка. Для того щоби запам’ятати колір лакмусу в різних середовищах, існує вірш: Индикатор лакмус — красный кислоту укажет ясно. Индикатор лакмус — синий, Щёлочь здесь — не будь разиней, Когда ж нейтральная среда, Он фиолетовый всегда.
Ірина Євтушенко
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
ХІМІЧНА ЛАБОРАТОРІЯ
АЕРОГЕЛЬ
Аерогелі сміливо можна віднести до незвичайних речовин. Їх немає в природі, це витвір людських рук. І люди його гідно оцінили. 15 позицій у книзі рекордів Гіннесса він посів завдяки своїм унікальним якостям.
Назва «аерогель» походить від двох латинських слів: aer — повітря й gelatus — заморожений. Тому аерогель ще називають «замороженим димом». Дійсно, за зовнішнім виглядом аерогель нагадує застиглий дим. Особливість аерогелю в тому, що в ньому відсутня рідка фаза — вона повністю заміщена газоподібною. Тому ця речовина має рекордно низьку густину, яка усього в півтора раза переважає густину повітря, і ряд інших унікальних якостей: твердість, прозорість, жароміцність і т. д. Аерогель дивний ще й тим, що на 99,8 % складається з… повітря!
Історія одержання аерогелю Історія появи аерогелю дотепер з’ясована не до кінця. Відомо лише, що першим його одержав американський учений Семюель Кістлер наприкінці 20-х або 30-го року минулого століття в Тихоокеанському коледжі в Стоктоні (штат Каліфорнія). Одержав майже випадково, як побічний продукт кристалізації амінокислот у суперкритичних супернасичених рідинах. Учений домігся одержання аерогелю, заміняючи рідину у звичайному гелі метанолом. Після цього гель нагрівався під високим тиском до +240 °С (критична температура для метанолу, після якої він починає розкладатися). При цьому газоподібний метанол ішов з гелю, але зневоднена піна не зменшувалася в об’ємі. У результаті утворювався легкий дрібнопористий матеріал, названий згодом аерогелем. Перший аерогель було отримано ученим із кварцу. Згодом цей матеріал навчи-
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
лися виготовляти з оксидів металів, органічних речовин і багатьох інших вихідних інгредієнтів. За структурою аерогелі являють собою розгалужену мережу з об’єднаних в однорідні групи (кластери) частинок розміром 2–5 нанометрів і пор, заповнених повітрям, розмірами до 100 нанометрів.
Унікальні фізичні властивості Зовні аерогель найбільше схожий на прозору або напівпрозору застиглу мильну піну. Він виглядає як суцільна однорідна речовина, що відрізняє його від таких пористих середовищ, як різні піни. На дотик аерогель також нагадує застиглу піну. Це досить міцний матеріал, здатний витримати навантаження у 2000 разів більше власної ваги. Наприклад, невеликий блок аерогелю вагою 2,38 г легко витримує цеглу масою у 2,5 кг! Кварцові аерогелі є ще й дуже добрим теплоізолятором. Він витримує температуру до 500 °С, а шару
структура аерогелю під мікроскопом
ТЕХНОЛОГІЧНА ХІМІЯ
різноманіття вловлених зондом частинок були виявлені сліди гліцину — найважливішої для утворення білка амінокислоти. Ученим, які підтримують теорію про неземне походження життя, ця знахідка стала побічним доказом їх правоти. Як унікальний теплоізолятор аерогель планується використовувати в космічних скафандрах американського виробництва, створюваних для марсіанського проекту НАСА. Так само НАСА припускає застосування аерогелю як теплового щита нових моделей «Шаттла».
Перспективи застосування
аерогелі є дуже добрим теплоізолятором завтовшки 2,5 см досить, щоби захистити руку від прямого впливу полум’я паяльної лампи. Існують різновиди аерогелів з температурою плавлення до 1200 °С.
Аерогель у космосі Лише наприкінці минулого століття аерогелі знову почали широко використовувати, причому насамперед у космічній галузі. Саме аерогель став найважливішим елементом ґратчастого вловлювача, за допомогою якого космічний зонд Stardust захопив мільйони малюсіньких частинок із хвоста комети Wild 2. Ці зразки були доправлені на Землю. До речі, серед
ТЕХНОЛОГІЧНА ХІМІЯ
Аерогелі є перспективними також у мікроелектроніці. Головним чином, завдяки тому, що вони мають найнижчі діелектричні константи, тобто є дуже добрими ізоляторами. Використання аерогелів як ізоляційних шарів у багатошарових друкованих платах дозволить значно підвищити швидкодію електроніки. 2007 року американські хіміки презентували створені ними аерогелі, які можуть бути фільтром для очищення води від шкідливих домішок, таких як меркурій, плюмбум та інших отруйних важких металів. Поки виробництво цих матеріалів досить обмежене через високу ціну, тому що до складу фільтрів входить платина. Коли їй буде знайдена заміна у вигляді дешевшого аналога, очисники нового зразка позбавлять водойми планети від важких металів. Крім цього, нові аерогелі проявляють властивості напівпровідників, отже,
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
можна використовувати у фотоелементах та інших оптоелектронних пристроях. Властивості аерогелів значно залежать від вихідного матеріалу, з якого їх виробляють. Існують аерогелі з алюміній оксиду, силіцій(IV) оксиду, а також оксидів Стануму й Хрому, а зовсім недавно вони були отримані на основі Карбону. У НАСА тривають випробування алюмооксидних аерогелів, які містять рідкі елементи — Гадоліній і Тербій. Ці гелі використовують як детектори високошвидкісних зіткнень.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Деякі прозорі різновиди аерогелю вчені розглядають як заміну шибці, адже коефіцієнт заломлення в них набагато нижчий, ніж у скла (1,05 проти 1,5). Крихкість цього перспективного матеріалу вже вдалося подолати, зараз доступний випуск пружних і гнучких аерогелів. На порядку денному питання про зниження собівартості виробництва до меж, які роблять використання в широких масштабах рентабельним. Аерогелі часто називають матеріалом XXI століття. Чи так це, ми незабаром побачимо. За матеріалами сайта www.idea.uz
ТЕХНОЛОГІЧНА ХІМІЯ
МОРОЗИВО Спека... Здається, немає від неї порятунку. Але ні, є! Ось він! Холодне, солодке, м’яке, із чимось смачно хрустким, з кисленькими фруктами, залите ароматним сиропом і найніжнішими вершками... Упізнали? Так, це воно — морозиво. Читаємо про цей смачний продукт просто зараз.
Що за продукт морозиво? Морозиво — це десерт, виготовлений з молочних продуктів (вершки, молоко, масло) з додаванням цукру, яєць і наповнювачів: фруктів, варення, печива, горіхів або шоколаду. Однак таким склад морозива став лише у XVIII столітті, а до цього так називали заморожені фруктові соки із цукром, фруктами й горіхами. Морозиво розділяють на дві категорії: шербети (сорбети), які складаються тільки з води, цукру, фруктів або якогось іншого наповнювача, наприклад алкогольних напоїв, і власне морозиво — молочний продукт. Останнє ділять на молочне морозиво, яке містить 3–8 % жиру й близько 20 % цукру, вершкове (близько 10 % жиру й 15 % цукру) і пломбір — найбільш жирне й калорійне вершкове морозиво, до складу якого входить не менше 15 %, а то й 18–20 % жиру й 14 % цукру. Назву воно дістало від французького містечка Пломб’єр, де його почали робити у XIX столітті. Щодо йогуртового морозива думки фахівців різняться: хтось уважає його різновидом молочного морозива, а хтось — замороженим йогуртом.
як роблять морозиво? У промислових умовах технологія виробництва морозива передбачає три етапи: приготування суміші, фризерування, розфасовування й загартовування. Всі інгредієнти морозива змішують за температури близько 60 °С й під тиском. Перемішувати потрібно дуже ретельно, інакше в готовому продукті на зубах буде
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Морозиву не менше п’яти тисяч років. У Китаї, на Сході й на півдні Європи його їли для охолодження, і було воно дорогим, оскільки лід доводилося возити здалеку. До Рима, наприклад, його доправляли з альпійських льодовиків. А в наших краях, де снігу більше, ніж фруктів, морозиво було сезонним зимовим блюдом, причому молочним. Дрібно наструганим замороженим им молоком смакували и ще жителі Київської Русі. У багатьох російських йських селах на Масницю готували суміш із замороженого женого сиру, сметани, тани, ізюму й цукру, та й при дворі такі кі ласощі дуже же полюбляли. и.
ЩО МИ ЇІМО
хрумтіти лід — компоненти морозива містять 55–64 % води. Отриману емульсію фризерують, тобто охолоджують приблизно до 2 °С і при цьому збивають, насичуючи повітрям. Оптимальний уміст повітря в морозиві становить 3–15 %. Збиту охолоджену масу фасують і загартовують
Щоби заморожена емульсія, насичена повітрям, довше зберігалася, не обпадаючи, не промерзаючи й не розшаровуючись, у морозиво під час приготування додають стабілізатори й емульгатори. Стабілізатори, у тому числі агар-агар, агароїд (полісахарид, одержуваний із чорноморських водоростей роду Phyllophora), натрій альгінат, натрій казеїнат, пектини, картопляний або кукурудзяний крохмаль, зв’язують частину води й перешкоджають розростанню кристалів льоду. За їх наявності морозиво легше збивається, краще зберігає структуру й повільніше тане. Емульгатори, в основному ліпіди, забезпечують стійкість емульсії. Завдяки їм морозиво навіть під час танення залишається пухким.
ЩО МИ ЇІМО
(доморожують) за температури –25–37 °С. Це необхідно для того, щоби вся вода, яка міститься в продукті, перетворилася на лід і щоби не відбувалося втрат повітря після фризерування. Температура морозива після загартовування не має перевищувати –12 °С. Наприкінці морозиво 24–36 годин витримують у гартівних камерах або закладають на зберігання.
Хто створив ескімо? Для багатьох ескімо — морозиво на паличці. Однак спочатку так називали вершковий брикет, покритий шоколадною глазур’ю. Існують принаймні дві версії походження ескімо. Подейкують, що рецепт глазурованого морозива придумав Шарль Жерве, один із засновників французької сироварильної компанії «Жерве». Це морозиво 1922 року продавали в паризькому кінотеатрі, де йшов документальний фільм про ескімосів «Нанук з Півночі». З легкої руки глядачів новий сорт морозива почали називати «ескімо». Чому досвідчений сировар звернув увагу на морозиво, історія умовчує. Не виключено, що він запозичив винахід в американця данського походження Християна Кента Нельсона. Нельсон був учителем і власником кондитерського магазина, отже, добре розбирався в дитячій психології. Ідея покрити морозиво шоколадною глазур’ю спала йому на думку, коли він спостерігав за юним відвідувачем магазина, який ніяк не міг
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
вирішити, чого йому більше хочеться — морозива чи шоколадки. 1921 року Нельсон запатентував свій винахід разом із виробником шоколаду Расселом Стовером. Новий сорт називали eskimo pie — ескімоський пиріжок. А паличку в цей пиріжок почали встромляти лише 1934 року.
Що таке кувертюр? Шоколадна глазур не тільки надає морозиву нового смаку, але й збільшує термін його зберігання, захищаючи поверхню. Натуральну глазур, до складу якої входить терте какао й какао-олія, називають кувертюр. Однак олія какао коштує дорого, тож її частково або повністю заміняють іншими оліями (пальмовою, соєвою, рапсовою). Таку глазур називають шоколадною. А буває ще молочно-шоколадна, зі зниженим умістом какао й додаванням сухого молока, і горіхова — з тертих горіхів.
Із чого роблять крем-брюле? «Крем-брюле» з французької перекладають як «обпалені вершки». Це холодний десерт із заварного крему з карамельною скоринкою. Крем запікають, щоби він затвердів, а потім або обливають паленим цукром, або підпалюють його безпосередньо на поверхні десерту. Морозиво ж крем-брюле зазвичай вершкове із додаванням карамелі або карамельного смаку. Домашні рецепти його приготування часто містять варену згущенку.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
ЩО МИ ЇІМО
Люди гладкішають тому, що їдять занадто багато, у тому числі часто перекушують між трапезами: то цукеркою себе побалують, то баночкою солодкої газованої води. Порція газовки містить стільки ж калорій, скільки стаканчик морозива, але не заглушує почуття голоду, і людина продовжує їсти. А морозиво — легкозасвоюваний і поживний продукт, тож після нього вже не виникає бажання підкріпитися. Так що, перекушуючи морозивом, людина захищається від переїдання. Зрозуміло, треба стежити за калорійністю порції. Дієтологи радять вибирати вершкове морозиво, воно ситніше, ніж молочне, однак не таке калорійне, як пломбір. Шоколаду краще уникати: нехай продукт буде з натуральними фруктами або горіхами або зовсім без добавок.
ЩО МИ ЇІМО
Чим корисне морозиво? Увага! Цю частину статті потрібно читати батькам уголос, коли просите в них грошей «на морозиво»! Перед нами порція морозива — холодного, жирного, солодкого й калорійного: в 100 г продукту від 200 до 400 калорій. Чи корисно воно? Так! Адже, морозиво містить вітаміни A, B, D, E, P і мінеральні речовини, до складу яких входять магній, калій, фосфор, залізо, натрій. Одна порція морозива забезпечує 20–30 % щоденної норми кальцію, що не тільки зміцнює кістки, але й стимулює швидке спалювання жиру. Так-так, морозиво нам, виявляється, худнути допомагає. Морозиво — джерело незамінної амінокислоти L-триптофану, яка бере участь у синтезі мелатоніну й серотоніну — гормонів, які регулюють настрій і стресові реакції. Морозиво, яке містить L-триптофан, заспокоює нервову систему й стимулює імунітет. Ларингологи радять загартовувати моро зивом горло — це ніби обливання холодною водою, тільки його треба облизувати, а не відкушувати шматками. Слизова оболонка загартованого горла буде стійка до дії хвороботворних мікробів. Морозиво не показане людям із хворою печінкою й цукровим діабетом, інші можуть їсти його щодня із задоволенням і великою користю для себе. У розумних кількостях, звістно. За матеріалами журналу «Хімія й життя», 2012, № 2
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
7 РЕЧОВИН,
ферорідина
ЩО ПОРУШУЮТЬ ПРАВИЛА ФІЗИКИ У світі багато дивних речовин. Є й такі, що порушують правила фізики. У цьому номері ми познайомимося із двома з них: перфлуорвуглецями та аерогелем. 1. Аерогель Frozen Smoke
2. Ферорідина
Аерогель Frozen Smoke («Заморожений дим») на 99 % складається з повітря й на 1 % — із кремнієвого ангідриду. У результаті виходить досить вразлива магія: цегли зависають у повітрі й все таке. Крім того, цей гель ще й вогнетривкий. Будучи майже непомітним, аерогель при цьому може втримувати практично неймовірні ваги, які у 4000 разів перевершують об’єм витраченої речовини, причому сам він дуже легкий. Його застосовують у космосі: приміром, для «виловлювання» пилу від хвостів комет і для «утеплення» костюмів астронавтів. У майбутньому, стверджують учені, цей зручний матеріальчик з’явиться в бага-
Ферорідина — це магнітна рідина, з якої можна утворювати досить цікаві й вигадливі фігури. Утім, поки магнітне поле відсутнє, ферорідина в’язка й нічим непримітна. Але варто тільки вплинути на неї з допомогою магнітного поля, як її частинки вишиковуються уздовж силових ліній і створюють щось неймовірне… На практиці ферорідину застосовують по-різному: приміром, для забезпечення теплопровідності в динаміках. Ну а можливість ставати то твердим, то рідким залежно від впливу магнітного поля, робить цей матеріал значимим і для автопрому, і для NASA, і для військових.
тьох будинках.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Про інші незвичайні речовини читайте у наступних номерах. РЕЧОВИНИ ЗВИЧАЙНІ ТА НЕ ДУЖЕ
ГОТУЄМОСЯ
ДО ОЛІМПІАДИ Якщо ви по-справжньому любите хімію, то напевно берете участь в хімічних олімпіадах. Для перемоги на олімпіаді потрібно знати хімію в обсязі, більшому за шкільний курс. Разом з тим і добре знайомі хімічні речовини можуть здивувати. Ось одна з таких задач-розповідей. Спробуйте в ній розібратися ...
— Сьогодні готуємося до олімпіади, — сказав учитель хімії. — Ви всі знаєте, що олімпіада передбачає теоретичний і практичний тур. Сьогодні готуємося до практичного туру. Зараз я вам покажу кілька дослідів, а ви спробуєте пояснити побачене. — Ой, ну що там можна показати незвичайного зі звичайного набору шкільних реактивів, — зневажливо мовив Андрій, який торік посів 1 місце в обласній олімпіаді. — Інша справа — університетська лабораторія! Усі із прихованим захопленням і заздрістю подивилися на нього. — А от зараз побачимо, — посміхнувся вчитель. — Я беру прозорий безбарвний розчин якоїсь речовини і крапаю декілька крапель іншої прозорої безбарвної речовини. Суміш забарвилася в характерний малиновий колір. — Так це зрозуміло! — залунало звідусіль. — Перший розчин — луг, ви накрапали розчин фенолфталеїну, вийшло малинове забарвлення! Ми все це добре знаємо! — Дуже добре, — продовжив учитель, — але я ще не закінчив. До отриманого розчину малинового кольору він додав безбарвний прозорий розчин. Малинове забарвлення зникло. — І це зрозуміло! — тріумфували учні. — Ви додали розчин кислоти, відбулася реакція нейтралізації, у розчині не залишилося йонів OH – і забарвлення зникло! — Безсумнівно, у ваших міркуваннях є істина, — погодився вчитель. — То ви стверджуєте, що в цьому розчині немає йонів OH –? — Звичайно ж, немає, — вагомо сказав Андрій, — індикатор фенолфталеїн,
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
як відомо, змінює забарвлення за наявності саме цих йонів! — Добре, — промовив учитель, взяв універсальний індикаторний папір і занурив його в отриманий розчин. Папір відразу став інтенсивно-синього кольору. Учні ошелешено мовчали. — Може, це індикаторний папір зіпсований? — пролунав боязкий голос. Учитель взяв загадковий безбарвний розчин, розлив на три пробірки: до однієї додав розчин лакмусу — і розчин став синім; до іншої — розчин метилового оранжевого, і колір змінився на жовтий. — Та-а-к, — задумливо простягнув Андрій, — а я гадав, що зробив уже всі можливі досліди в нашій шкільній лабораторії. — І це ще не все, — сказав учитель. Він взяв третю пробірку, пляшечку із розчином хлоридної кислоти й потроху почав його додавати в безбарвний розчин. І зовсім зненацька з’явився знайомий малиновий колір. — Так, над цим варто поміркувати. Відразу не відповіси… — задумалися учні. Тамара Гранкіна
Питання 1. Поясніть усі описані тут хімічні явища.
2. Запропонуйте речовину (не кислоту), яку можна додати в третю пробірку, щоби розчин теж забарвився у малиновий колір. Відповіді дивіться на с.37
СПРОБУЙ ВІДПОВІСТИ
ОЗОН
Минула літня гроза, і в повітрі залишився неповторний запах свіжості. Утім, не всі знають, що є причиною цього. Перший крок у цьому напрямку зробив 1785 року голландський фізик Мартін ван Марун, який відчув знайомий запах свіжості під час проведення дослідів з електрикою, у яких він пропускав струм крізь повітря. Але ван Марун приписав цей аромат якійсь «електричній матерії». Лише 1839 року Кристіан Шонбейн одержав цю речовину, вивчив її деякі властивості й дав їй назву «озон», що походить від давньогрецького дієслова «őζειν» — «пахнути». Формулу озону O3 було визначено 1865 року Жаком-Луї Соре, а пізніше підтверджено Шонбейном. До речі, озон є першою речовиною, яку офіційно було визнано алотропною модифікацією кисню.
Скільки озону в атмосфері? Тривалий час уважали, що озону в природі практично немає і що він утворюється тільки під час грози. Але 1913 року Шарль Фабрі й Анрі Буїссон за допомогою спектрофотометричних вимірювань виявили наявність озону в стратосфері, на висоті 15–50 км. Цю частину стратосфери назвали «озоновий шар». Але незважаючи на таку велику товщину озонового шару, самого озону в ньому міститься досить мало. Якщо можна було б зібрати весь озон стратосфери й стиснути його під тиском 101,3 кПа (1 атмосфера), то його шар був би завтовшки всього 3 мм. Для порівняння: вся стиснута під нормальним тиском атмосфера становила б шар у 8 км. Найбільша густина озону трапляється на висоті 20 км. На цій висоті відносно висока концентрація озону (близько 8 мл/м3) поглинає небезпечні ультрафіолетові промені, що мають довжину хвилі від 200 до 310 нм, і захищає все живе на суші від згубного випромінювання.
Хімічні реакції в нас над головою: …утворення озону У верхніх шарах атмосфери озон утворюється під дією жорстких ультрафіолетових променів Сонця (< 240 нм). Частину з них поглинають молекули кисню, що призводить до розриву зв’язків й утворення атомарного Оксигену, а потім відбуваються такі реакції:
3) O3 + O = 2O2; 4) O2 + O = O3 . Перша й четверта реакції цього циклу — фотохімічні, вони відбуваються під дією УФ. Для розпаду молекули кисню на атоми потрібне випромінювання, довжина хвилі якого менше 242 нм, тоді як озон розпадається під час поглинання світла в ділянці 240–320 нм (остання реакція саме й захищає нас від жорсткого ультрафіолету, оскільки кисень у цій спектральній ділянці не поглинає).
…та його руйнування Як з’ясувалося, один з основних каталізаторів розпаду озону — нітроген(II) оксид NO.
Молекула озону має кутову будову, а центральний атом кисню утворює два неполярні ковалентні зв’язки й один донорно-акцепторний. Озон — це газ блідо-голубого кольору. ру. Під час його скраплення лення забарвлення стає темно-синім, а під час ас затвердіння рдіння — фіолетовотовочорним. м.
1) O2 O + O; 2) O + O O2 ;
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
ХІМІЯ ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
рення й розпаду озону призводить до того, що середній час життя молекули озону в стратосфері становить близько трьох годин.
Отут діра і отут діра
Озон утворюється під час роботи копіювальної техніки та лазерних принтерів Він утворюється у верхніх шарах атмосфери з азоту й кисню під дією найбільш жорсткої сонячної радіації. Потрапляючи в озоносферу, він вступає в цикл із двох реакцій: O3 + NO NO2 + O2 , NO2 + O NO + O2 . У результаті вміст NO в атмосфері не змінюється, а концентрація озону знижується. Існують й інші цикли, які призводять до зниження вмісту озону в стратосфері, наприклад, за участі Хлору: Cl + O3 ClO + O2 , ClO + O Cl + O2 . Руйнують озон також пил і гази, які у значній кількості потрапляють в атмосферу під час виверження вулканів. Останнім часом з’явилося припущення, що озон також ефективно руйнує водень, який виділяється із земної кори. Сукупність усіх реакцій утво-
ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
Протягом останніх кількох десятиліть вчені спостерігають ділянки зі зниженим умістом озону в озоновому шарі, так звані «озонові діри». Найбільші з них розташовані над полюсами і мають сезонний характер — утворюються на початку полярної зими й затягуються, щойно наближається полярне літо. Ці явища природні, тому що під час полярної зими на полюс не потрапляє сонячне світло, отже, не синтезується озон. Утворення «озонових дір» залежить також від космічних і геомагнітних чинників. Не виключено, що на товщину озонового шару впливає господарська діяльність людини. Тому потрібний суворий контроль речовин, які потрапляють в атмосферу й руйнують озоновий шар.
Озоновий шар — наш захисник Без озону жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця буде безперешкодно досягати поверхні Землі. А його енергії достатньо для того, щоби розірвати деякі хімічні зв’язки в молекулах, наприклад таких життєво важливих, як молекули ДНК. Це може призвести до генетичних змін і виникнення раку шкіри. Навіть незначного впливу ультрафіолетового випромінювання достатньо для опіку шкіри й сітківки ока, утворення катаракти. Так, у разі зменшення кількості озону в атмосфері на 10 % рівень захворювань на рак
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
шкіри збільшиться на 30–50 %. Збільшення УФ-опромінення вплине, наприклад, на такі організми, як океанічні планктони, а це, у свою чергу, позначиться на інших організмах, які складають із ним один харчовий ланцюг (риби, морські ссавці).
Озон у тропосфері
Завжди вважалося, що під час грози концентрація озону в повітрі різко збільшується, тому що блискавки сприяють перетворенню кисню на озон. Насправді збільшення його доволі незначне, причому
Щорічно в приземний шар атмосфери — тропосферу — озону надходить приблизно 1,6 млрд тонн. Час життя молекули озону в нижній частині атмосфери значно вищий — більше 100 діб, оскільки в приземному шарі менша інтенсивність ультрафіолетового сонячного випромінювання, що руйнує озон. Зазвичай озону в тропосфері дуже мало: у чистому свіжому повітрі його концентрація становить у середньому всього 0,016 мкг/л. Концентрація озону в повітрі залежить не тільки від висоти, але й від місцевості. Так, над океанами озону завжди більше, ніж над сушею, тому що там озон розпадається повільніше. Вимірювання в Сочі показали, що повітря біля морського узбережжя містить на 20 % більше озону, ніж у лісі, що за 2 км від берега.
воно відбувається не під час
Озон у сучасних містах
різних предметів, наприклад
Сучасні люди вдихають значно більше озону, ніж їхні предки. Основна причина цього — збільшення кількості метану й оксидів азоту в повітрі. Так, уміст метану в атмосфері постійно збільшується. У забрудненій оксидами азоту атмосфері метан, а також кисень і випари води беруть участь у складному ланцюжку перетворень, результат яких можна виразити рівнянням
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
грози, а за кілька годин до неї. Натомість впродовж грози й протягом декількох годин після неї концентрація озону знижується. Пояснюється це тим, що перед грозою відбувається сильне вертикальне перемішування повітряних мас, так що додаткова кількість озону надходить із верхніх шарів. Крім того, перед грозою збільшується напруженість електричного поля, отже, виникають умови для утворення коронного розряду на вістрях кінчиків гілок, і це також сприяє формуванню озону. А потім під час розвитку грозової хмари, під нею виникають потужні висхідні потоки повітря, які й знижують уміст озону безпосередньо під хмарою.
ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
смог над лос-анджелесом
CH4 + 4O2 HCHO + H2O + 2O3. У ролі метану можуть виступати й інші вуглеводні, наприклад ті, що містяться у вихлопних газах автомобілів за неповного згоряння бензину. У результаті в повітрі великих міст за останні десятиліття концентрація озону збільшилася у десятки разів. Підвищено уміст озону у фотохімічному смогу великих міст. Утім, джерела озону є не тільки на вулиці. Він утворюється в рентгенівських кабінетах, у кабінетах фізіотерапії (його джерело — ртутно-кварцові лампи), під час роботи копіювальної техніки (ксероксів), лазерних принтерів (тут причина його утворення — високовольтний розряд).
У хвойному лісі озону більше? Цікавим є питання про вміст озону в повітрі хвойних лісів. Деякі рослини, особливо хвойні, виділяють у повітря безліч летких органічних сполук, у тому числі ненасичених вуглеводнів класу терпенів (їх багато в скипидарі). Так, у спекотний день сосна виділяє за годину 16 мкг терпенів на кожний грам сухої маси хвої. Терпени виділяють не тільки хвойні, але й деякі листяні дерева, зокрема тополя й евкаліпт. А вуглеводні, як це було показано на прикладі метану, під дією сонячної радіації й за наявності інших домішок сприяють утворенню озону. Так що озон у хвойному лісі — зовсім не вигадка, а експериментальний факт.
Озон і здоров’я хвойний ліс
ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
Як приємно прогулятися після грози! Повітря чисте й свіже, його легкі струмені,
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
здається, без жодних зусиль самі потрапляють у легені. «Озоном пахне, — часто говорять у таких випадках. — Дуже корисно для здоров’я». Чи так це насправді? Колись озон безумовно вважали корисним для здоров’я. Але якщо його концентрація перевищує певний поріг, він може спричинити масу неприємних наслідків. Залежно від концентрації й часу вдихання озон призводить до змін у легенях, подразнення слизових очей і носа, головного
болю, запаморочення, зниження кров’яного тиску. Гранично допустима його концентрація в повітрі становить усього 0,1 мкг/л, а це означає, що озон набагато небезпечніший від хлору! Якщо кілька годин провести в приміщенні, де концентрація озону становить всього лише 0,4 мкг/л, можуть виникнути загрудинний біль, кашель, безсоння, знизиться гострота зору. Якщо вміст озону досягає 8–9 мкг/л, через кілька годин розвивається набряк легенів, наслідком
ВІДПОВІДІ
«Одного разу в заміському таборі» (№ 8, с. 28)
«готуємося до олімпіади» (с. 30)
До складу лікарського препарату «пурген» входить речовина фенолфталеїн. Фенолфталеїн є індикатором, у лужному середовищі він змінює забарвлення на малинове. В отруті бджіл і ос міститься мурашина кислота. Нашатирний спирт — це розчин амоніаку у воді: NH3 + H2O = NH+4 + OH– . – Йони OH нейтралізують мурашину кислоту й відчуття печії у місті укусу зменшується. Андрій у чашку, яку він дав Ірині, додав трохи харчової соди — натрій гідрогенкарбонат. У разі додавання лимонного соку, що містить лимонну кислоту, виділився вуглекислий газ, який і спричинив ефект скипання: NaHCO3 + H+ = Na+ + H2O + CO2 Артем наніс на стінку розчин фенолфталеїну (пургену). Андрій активно розмахував ваткою, змоченою нашатирним спиртом, у повітрі для того, щоб амоніак поширився в повітрі, прореагував з водою, нанесеною на стіну, у якій був фенолфталеїн. Йони OH– , які утворилися, змінили забарвлення фенолфталеїну, а також квіточки на шпалерах.
Вирішення цього завдання досить просте, але, як показує досвід, рідко хто з учнів правильно на нього відповідає. Вся справа в стандартному підході: фенолфталеїн змінює забарвлення в лужному середовищі, безбарвний в нейтральному і кислому — так вчать у школі. А ось і ні! Цей індикатор набуває малинового забарвлення лише за достатньо вузького значення рН — від 8,2 до 12. Якщо підвищити лужність середовища понад 12, фенолфталеїн знову стане безбарвним. Отже, перший раз учитель прилив дуже концентрований розчин лугу, рН став вище 12 і забарвлення зникло. Зважаючи на те, що середовище було таким лужним, інші індикатори (універсальний індикаторний папір, лакмус, метилоранж) змінили колір. Під час додавання кислоти лужність розчину знижувалася, за досягнення рН <12 забарвлення з’явилося знову. Зрозуміло, що пониження лужності середовища можна досягти, просто розбавляючи розчин — додаючи воду.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
Отруйний не тільки власне озон. За його участі в повітрі утворюється, наприклад, пероксиацетилнітрат (ПАН) CH3 –CO – OONO2 — речовина, яка спричиняє найсильніше подразнення, у тому числі сльозоточивість, що утруднює дихання, а у більш високих концентраціях викликає параліч серця. ПАН — один з компонентів так званого фотохімічного смогу, який утворюється влітку в забрудненому повітрі (це слово утворено від англійського smoke — дим і fog — туман). Концентрація озону в смогу може досягати 2 мкг/л, що у 20 разів більше гранично допустимої норми. Варто також урахувати, що спільна дія озону й оксидів азоту в повітрі в десятки разів сильніша, ніж кожної речовини нарізно. Не дивно, що наслідки виникнення такого смогу у великих містах можуть бути катастрофічними, особливо якщо повітря над містом не продувають «протяги» і утворюється застійна зона.
ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
чого може стати смерть. Але такі незначні кількості речовини зазвичай важко піддаються аналізу звичайними хімічними методами. На щастя, людина відчуває наявність озону за мінімальної його концентрації у повітрі (починаючи приблизно від 1 мкг/л). Наприклад, за таких умов йодокрохмальний папірець ще й не збирається синіти. Одним людям запах озону в малих концентраціях нагадує запах хлору, іншим — сірчистого газу, третім — часнику. І все-таки навряд чи правильно вважати озон шкідливим для здоров’я. Все залежить від його концентрації. Повна відсутність у повітрі озону, очевидно, теж несприятлива для людини, тому що збільшує вміст у ньому мікроорганізмів, призводить до накопичення шкідливих речовин і неприємних запахів, які озон руйнує. Крім здатності знищувати бактерії озон доволі ефективний у знищенні спор, цист (щільні оболонки, які утворюються навколо одноклітинних організмів, наприклад джгутикових і корененіжок, під час їх розмноження, а також за несприятливих для них умов) і багатьох інших патогенних мікробів. Скільки має бути озону в приміщенні, поки сказати важко. Однак у мінімальних концентраціях озон, імовірно, необхідний і корисний. Вплив малими дозами озону чинить профілактичну і терапевтичну дію і його починають активно використовувати в медицині, насамперед у дерматології й косметології.
Наш помічник — озон Як сильний окисник озон застосовують для синтезу багатьох речовин, відбілю-
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
вання паперу. Завдяки утворенню вільних радикалів кисню озон застосовують ще для стерилізації медичних виробів, дезінфекції приміщень й очищення водопровідної води. Озонування є більш безпечним, хоча й дорожчим методом очищення води, ніж хлорування, тому що під час озонування води не утворюються токсичні домішки, які можуть утворюватися під час хлорування. На сьогодні 95 % питної води в Європі проходить озонну підготовку.
ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ №9 (2012)
Також озон застосовують у медицині під назвою «озонотерапія», тобто лікування озоном, але ефективність такого методу не була доведена, а в разі неправильного застосування може завдати шкоди здоров’ю. Озонотерапія так і не прижилася в Європі, а в США й Канаді офіційне медичне застосування озону не легалізоване, за винятком альтернативної медицини. Андрій Вареніков
ХІМІЯ НАВКОЛО НАС
«ХІМІЯ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ» № 9 (09) 2012 р. Один випуск на місяць, індекс 89482 Засновник: ТОВ «Видавнича група «Основа»» Свідоцтво: серія КВ № 17958-6808Р від 21.06.2011 Головний редактор: Тамара Гранкіна. Редакція може не поділяти точки зору автора. Автори публікацій відповідають за достовірність фактів, цитат, власних назв. Відповідальність за рекламну інформацію несе рекламодавець. Рукописи не рецензуємо й не повертаємо. Адреса для листування: ВГ «Основа» Редакція журналу «Хімія для допитливих» вул. Плеханівська, 66 м. Харків 61001 e-mail: chem@osnova.com.ua, www.osnova.com.ua тел.: (057) 731-96-33, 731-96-35.
Виготовлено в друкарні «Тріада+» Підписано до друку 23.08.2012 Формат 70×100/16. Папір офсетний. Гарнітура «Міріад Про». Друк офсетний. Умовн. друк. арк. 3, 25. Зам. № 12-09/31-01. Використано матеріали сайтів: hnb.com.ua, radionauka.ru, khimie.ru, chemport.ru, eikenclub.ru, wikipedia.org, wikіmedia.org Усі права захищені. Будь-яке відтворення матеріалів або фрагментів із них можливе лише за наявності письмового дозволу ТОВ «Видавнича група “Основа”». Ціна договірна. © ТОВ «Видавнича група “Основа”», 2012 р.