Введение
Повсюду, куда бы ни обратил свой взор, нас окружают предметы и изделия, изготовленные из веществ и материалов, которые получены на химических заводах и фабриках. Кроме того, в повседневной жизни, сам того не подозревая, каждый человек осуществляет химические реакции. Например, умывание с мылом, стирка с использованием моющих средств и др. При опускании кусочка лимона в стакан горячего чая происходит ослабление окраски — чай здесь выступает в роли кислотного индикатора, подобного лакмусу. Аналогичное кислотно-основное взаимодействие проявляется при смачивании уксусом нарезанной синей капусты. Хозяйки знают, что капуста при этом розовеет. Зажигая спичку, замешивая песок и цемент с водой или гася водой известь, обжигая кирпич, мы осуществляем настоящие, а иногда и довольно сложные химические реакции. Объяснение этих и других широко распространенных в жизни человека химических процессов — удел специалистов.
Приготовление пищи — это тоже химические процессы. Не зря говорят, что женщины-химики часто очень хорошие кулинары. Действительно, приготовление пищи на кухне иногда напоминает выполнение органического синтеза в лаборатории. Только вместо колб и реторт на кухне используют кастрюли и сковородки, но иногда и автоклавы в виде скороварок. Не стоит далее перечислять химические процессы, которые проводит человек в повседневной жизни. Необходимо лишь отметить, что в любом живом организме в огромных количествах осуществляются различные химические реакции. Процессы усвоения пищи, дыхания животного и человека основаны на химических реакциях. В основе роста маленькой травинки и могучего дерева также лежат химические реакции.
Химия - это наука, важная часть естествознания. Строго говоря, наука не может окружать человека. Его могут окружать результаты практического приложения науки. Это уточнение весьма существенное. В настоящее время часто можно слышать слова: «химия испортила природу», «химия загрязнила водоем и сделала его непригодным для использования» и т. д. На самом же деле наука химия здесь вовсе непричем. Люди, используя результаты науки, плохо оформили их в технологический процесс, безответственно отнеслись к требованиям правил безопасности и к экологически допустимым нормам промышленных сбросов, неумело и не в меру использовали удобрения на сельскохозяйственных угодьях и средства защиты растений от сорняков и вредителей растений. Любая наука, особенно естествознание, не может быть хорошей или плохой. Наука — накопление и систематизация знаний. Другое дело, как и в каких целях используются эти знания. Однако это уже зависит от культуры, квалификации, моральной ответственности и нравственности людей, не добывающих, а использующих знания.
Без продуктов химической промышленности современному человеку не обойтись, так же как нельзя обойтись без электричества. Такая же ситуация и с продуктами химической промышленности. Нужно протестовать не против некоторых химических производств, а против их низкой культуры.
Культура человека — сложное и разноплановое понятие, при котором возникают такие категории, как умение человека вести себя в обществе, правильно владеть родным языком, следить за опрятностью своей одежды и внешним видом и т. д. Однако мы часто говорим и слышим о культуре строительства, культуре производства культуре ведения сельского хозяйства и т. д. Действительно, когда речь заходит о культуре Древней Греции или еще более ранних цивилизациях, то прежде всего вспоминают о ремеслах, которыми владели люди той эпохи, какие орудия труда они использовали, что умели строить, как умели украшать строения и отдельные предметы.
Многие важные для человека химические процессы были открыты задолго до того, как химия оформилась в науку. Значительное количество химических открытий было сделано наблюдательными и любознательными ремесленниками. Эти открытия переходили в семейные или клановые секреты и далеко не все дошли до нас. Часть из них была утеряна для человечества. Приходилось и приходится затрачивать огромный труд, создавать лаборатории, а иногда и институты для раскрытия секретов древних мастеров и их научного толкования.
Многие не знают, как устроен телевизор, но успешно пользуются им. Однако знание устройства телевизора никогда и никому не помешает в правильной его эксплуатации. Так и с химией. Понимание сущности химических процессов, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, может принести человеку только пользу.
Вода
Вода в масштабе планеты. Человечество издавна уделяло большое внимание воде, поскольку было хорошо известно, что там, где нет воды, нет и жизни. В сухой земле зерно может лежать многие годы и прорастает лишь в присутствии влаги. Несмотря на то, что вода — самое распространенное вещество, на Земле она распределена весьма неравномерно. На африканском континенте и в Азии имеются огромные пространства, лишенные воды, — пустыни. Целая страна — Алжир — живет на привозной воде. Воду доставляют на судах в некоторые прибрежные районы и на острова Греции. Иногда там вода стоит дороже вина. По данным Организации Объединенных Наций, в 1985 г. 2,5 млрд. населения земного шара испытывали недостаток в чистой питьевой воде.
Поверхность земного шара на 3/4 покрыта водой — это океаны, моря; озера, ледники. В довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в земной коре. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,4 млрд. км3. Основное количество воды содержится в океанах (около 97,6%), в виде льда на нашей планете воды имеется 2,14 %. Вода рек и озер составляет всего лишь 0,29 % и атмосферная вода — 0,0005 %.
Таким образом, вода находится на Земле в постоянном движении. Среднее время ее пребывания в атмосфере оценивается 10 сутками, хотя и меняется с широтой местности. Для полярных широт оно может достигать 15, а в средних — 7 суток. Смена воды в реках происходит в среднем 30 раз в год, т. е. каждые 12 дней. Влага, содержащаяся в почве, обновляется за 1 год. Воды проточных озер обмениваются за десятки лет, а непроточных за 200—300 лет. Воды Мирового океана обновляются в среднем за 3000 лет. Из этих цифр можно получить представление о том, сколько времени необходимо для самоочистки водоемов. Нужно лишь иметь в виду, что если река вытекает из загрязненного озера, то время ее самоочистки определяется временем самоочистки озера.
Вода в организме человека. Не очень легко представить, что человек примерно на 65 % состоит из воды. С возрастом содержание воды в организме человека уменьшается. Эмбрион состоит из воды на 97 %, в теле новорожденного содержится 75 %, а у взрослого человека — около 60 %.
В здоровом организме взрослого человека наблюдается состояние водного равновесия или водного баланса. Оно заключается в том, что количество воды, потребляемое человеком, равно количеству воды, выводимой из организма. Водный обмен является важной составной частью общего обмена веществ живых организмов, в том числе и человека. Водный обмен включает процессы всасывания воды, которая поступает в желудок при питье и с пищевыми продуктами, распределение ее в организме, выделения через почки, мочевыводящие пути, легкие, кожу и кишечник. Следует отметить, что вода также образуется в организме вследствие окисления жиров, углеводов и белков, принятых с пищей. Такую воду называют метаболической. Слово метаболизм происходит от греческого, что означает перемена, превращение. В медицине и биологической науке метаболизмом называют процессы превращения веществ и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организмов. Белки, жиры и углеводы окисляются в организме с образованием воды Н2О и углекислого газа (диоксида углерода) СО2. При окислении 100 г жиров образуется 107 г воды, а при окислении 100 г углеводов — 55,5 г воды. Некоторые организмы обходятся лишь метаболической водой и не потребляют ее извне. Примером является ковровая моль. Не нуждаются в воде в природных условиях тушканчики, которые водятся в Европе и Азии, и американская кенгуровая крыса. Многие знают, что в условиях исключительно жаркого и сухого климата верблюд обладает феноменальной способностью долгое время обходиться без пищи и воды. Например, при массе 450 кг за восьмидневный переход по пустыне верблюд может потерять 100 кг в массе, а потом восстановить их без последствий для организма. Установлено, что его организм использует воду, содержащуюся в жидкостях тканей и связок, а не крови, как это происходит с человеком. Кроме того, в горбах верблюда содержится жир, который служит одновременно запасом пищи и источником метаболической воды.
Общий объем воды, потребляемый человеком в сутки при питье и с пищей, составляет 2—2,5 л. Благодаря водному балансу столько же воды и выводится из организма. Через почки и мочевыводящие пути удаляется около 50—60 % воды. При потере организмом человека 6—8 % влаги сверх обычной нормы повышается температура тела, краснеет кожа, учащается сердцебиение и дыхание, появляется мышечная слабость и головокружение, начинается головная боль. Потеря 10 % воды может привести к необратимым изменениям в организме, а потеря 15—20 % приводит к смерти, поскольку кровь настолько густеет, что с ее перекачкой не справляется сердце. В сутки сердцу приходится перекачивать около 10 000 л крови. Без пищи человек может прожить около месяца, а без воды — всего лишь несколько суток. Реакцией организма на нехватку воды является жажда. В этом случае ощущение жажды объясняют раздражением слизистой оболочки рта и глотки из-за большого понижения влажности. Существует и другая точка зрения на механизм формирования этого ощущения. В соответствии с ней сигнал о понижении концентрации воды в крови на клетки коры головного мозга подают нервные центры, заложенные в кровеносных сосудах.
Водный обмен в организме человека регулируется центральной нервной системой и гормонами. Нарушение функции этих регуляторных систем вызывает нарушение водного обмена, что может приводить к отекам тела. Конечно, различные ткани человеческого организма содержат различное количество воды. Самая богатая водой ткань — стекловидное тело глаза, содержащее 99%. Самая же бедная — эмаль зуба. В ней воды всего лишь 0,2%. Много воды содержится в веществе мозга.
Важной функцией океанов и морей является регулирование содержания в атмосфере углекислого газа (диоксида углерода). Его относительное содержание в атмосфере невелико и составляет всего лишь 0,03— 0,04 %, Однако общая масса, заключающаяся в атмосфере, очень большая — 2000—2500 млрд. т. В связи с развитием энергетики, промышленности и транспорта сжигается огромное количество угля и нефтепродуктов. Основным продуктом их окисления является СО2. Учеными установлено, что атмосферный СО2 обладает способностью задерживать, т. е. не пропускать в космическое пространство, тепловое излучение Земли («парниковый эффект»). Чем больше СО2 в атмосфере, тем теплее климат Земли. Общее потепление климата может привести к катастрофическим последствиям. В результате потепления усилится таяние льдов на полюсах планеты и в горных районах, что приведет к повышению уровня Мирового океана и к затоплению огромных площадей суши. Подсчитано, что если расплавить все ледники Гренландии и Антарктиды, то уровень океана поднимется почти на 60 м. Нетрудно догадаться, что тогда Санкт-Петербург и многие приморские города окажутся под водой. Важным регулятором содержания СО2 в атмосфере является растительный покров Земли. В результате фотосинтеза растения превращают СО2 в клетчатку и освобождают кислород:
CO2 + 6H2O-> C6H12O6 + 6O2
Уместно отметить, что растения — основные поставщики атмосферного кислорода, а его источником прямо или косвенно является вода. Ежегодное продуцирование кислорода земной растительностью планеты составляет 300 млрд. т.
Основную роль в регулировании содержания СО2 в атмосфере играют океаны. Между Мировым океаном и атмосферой Земли устанавливается равновесие: углекислый газ СО2 растворяется в воде, превращаясь в угольную кислоту Н2СО3, и далее превращается в донные карбонатные осадки. Дело в том, что в морской воде содержатся ионы кальция и магния, которые с карбонатным ионом могут превращаться в малорастворимый карбонат кальция СаСО3 и магния MgCO3. Многие морские организмы извлекают первую соль из морской воды и строят из нее панцири. При отмирании этих организмов за большие периоды времени на дне образуются огромные скопления панцирей. Так формируются залежи мела, а в результате вторичных геологических превращений — залежи известняков, часто в виде бутовых плит. Как мел, так и бутовый камень широко используют в строительном деле.
Зеленому покрову Земли невозможно справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания СО2 в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения для построения своего тела ежегодно потребляют из атмосферы 20 млрд. т СО2, а обитатели океанов и морей извлекают из воды 155 млрд. т в пересчете на СО2.
Не менее важным веществом в создании «парникового эффекта», чем СО2, является атмосферная вода. Она также перехватывает и поглощает тепловое излучение Земли. Однако в атмосфере ее гораздо больше, чем углекислого газа. Атмосферную влагу, особенно в виде облаков, иногда сравнивают с «одеялом» планеты. Многие замечали, при ясном и безоблачном небе ночи бывают холоднее, чем в облачную погоду.
К основным потребителям пресной воды относятся: сельское хозяйство (70%), промышленность, включая энергетику (20 %) и коммунальное хозяйство (~ 10 %). В промышленном производстве наиболее водоемкими являются химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая промышленность. Так, на изготовление I т синтетического волокна расходуется 2500—5000, пластмассы — 500—1000, бумаги — 400—800, стали и чугуна — 160—200 м3 воды. Опыт показывает, что на бытовые нужды житель благоустроенного города расходует 200—300 л воды в день. Распределение потребления воды в среднем следующее: на приготовление пищи и питье расходуется всего лишь 5 %, в смывном бачке туалета — 43, для ванны и душа — 34, на мытье посуды — 6, на стирку — 4, на уборку помещения — 3 %.
Для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, а также вредных минеральных и органических примесей, если она прозрачна, бесцветна и не имеет привкуса и запаха. В соответствии с Государственным стандартом содержание минеральных примесей не должно превышать 1 г/л. Кислотность воды в единицах рН должна быть в пределах 6,5—9,5. Концентрация нитратного иона не должна превышать 50 мг/л. Естественно, что она должна также отвечать бактериологическим требованиям и иметь допустимые показатели на токсичные химические соединения. Этим требованиям наиболее часто удовлетворяет колодезная и родниковая вода. Однако в больших количествах найти воду, отвечающую Государственному стандарту, трудно. Поэтому ее приходится очищать на специальных станциях. Основными стадиями очистки являются фильтрование (через слой песка) и обработка окислителями (хлором или озоном). В некоторых случаях приходится применять коагуляцию. Для этого используют сульфат алюминия A12{SO4)3. В слабощелочной среде, создаваемой карбонатами кальция, под действием воды эта соль гидролизуется и из нее получается хлопьевидный осадок гидроксида алюминия Аl(ОН)3, а также сульфат кальция CaSO4 в соответствии с уравнением
Al2 (SO4)3 + ЗСа (НСО3)2 = 2AI (ОН) 3 ↓ + 3CaSO4↓ + 6СО2
Гидроксид алюминия А1(ОН)3 вначале образуется в виде мелких коллоидных частиц, которые со временем объединяются в более крупные. Этот процесс называют коагуляцией. При коагуляции хлопья А1(ОН)3 захватывают взвешенные примеси и сорбируют на своей развитой поверхности органические и минеральные вещества.
С давних пор для стерилизации питьевой воды использовалось простое кипячение, а древние греки добавляли в воду сухое вино, что создавало кислую среду, в которой погибали многие болезнетворные микробы.
Питьевая вода должна содержать небольшие количества растворенных солей и газов. В зависимости от них в различных местах вода отличается по вкусу. Макрокомпонентами химического состава поверхностных и некоторых подземных вод считают ионы Na+, K+, Mg2+, Са2+, SO4, Сl, NO3. Ионы Fe2+, Fe3+, Al3+ в заметных количествах содержатся только в локальных подземных водах, характеризующихся кислой средой. Кремниевая кислота H2SiO3 является преобладающим компонентом в некоторых типах грунтовых и поверхностных вод с очень малой минерализацией, а также в термальных водах. Границей между пресной и минеральной водой считается содержание минеральных химических соединений в количестве 1 г/л.
Природные воды, содержащие соли, растворенные газы, органические вещества в более высоких концентрациях, чем питьевая, называют минеральными. Некоторые из минеральных вод содержат биологически активные компоненты: СО2, H2S, некоторые соли (например, сульфаты натрия и магния), соединения мышьяка, радиоактивные элементы (например, радон) и др. Поэтому минеральные воды с давних пор использовали в качестве лечебного средства. В настоящее время минеральные воды делят на лечебные, лечебно-столовые и столовые.
Лечебные минеральные воды проявляют свое действие в одних случаях при наружном, а в других — при внутреннем применении. Конечно, воды, пригодные для внутреннего применения, иногда оказываются полезными и при наружном использовании. В качестве лечебных вод широко известны сероводородные (например, воды в районе курорта Мацеста), в качестве лечебно-столовой воды наиболее известна «Боржоми», а в качестве столовых вод — «Нарзан» и «Ессентуки № 20». В различных районах нашей страны как столовые широко используют разные местные минеральные воды, например, в Санкт-Петербурге известна вода «Полюстрово». Перед разливом в бутылки столовые минеральные воды обычно дополнительно насыщают углекислым газом до концентрации 3—4 %.
Дистиллированная вода, полученная конденсацией пара, практически не содержит солей и растворенных газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.
Поскольку вода является очень хорошим растворителем, в природе она всегда содержит растворенные вещества, так как не существует абсолютно нерастворимых веществ. Их количество и характер зависят от состава пород, с которыми вода находилась в контакте.
Наименьшее количество примесей и растворенных веществ содержится в дождевой воде. Однако даже она содержит растворенные газы, соли и твердые частицы. Соли, содержащиеся в дождевой воде, имеют свое происхождение из океанов и морей. Лопающиеся пузырьки на поверхности океанов выбрасывают в атмосферу довольно большое количество солей. Они захватываются потоками воздуха {особенно в штормовую погоду) и распределяются в атмосфере. Твердый остаток, который образуется при испарении дождевой воды,— это частички пыли, захваченные капельками дождя. Из 30 л дождевой воды при испарении остается примерно 1 г сухого остатка. Растворенными газами являются как основные компоненты воздуха, так и загрязнения, встречающиеся в данном районе. Состав дождевых осадков над морем согласуется с правилом, согласно которому он идентичен тому, что получается при добавлении к 1 л дистиллированной воды 1,5 мл морской воды.
Получение высокочистой воды — весьма сложная задача. Поскольку она хранится в каком-то сосуде, в ней должны быть примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследований наиболее чистую воду получают методом ректификации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.
Основные запасы пресной воды на Земле сосредоточены в ледниках.
Влажность воздуха.
Важной характеристикой состояния атмосферы является влажность воздуха или, что то же самое, степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражается отношением содержания водяных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Поэтому правильнее говорить не просто о влажности, а об относительной влажности. При насыщений воздуха водяными парами вода в нем больше не испаряется. Для человека наиболее благоприятная влажность воздуха 50 %. На влажность, как и на многое другое, распространяется правило: слишком много и слишком мало — одинаково нехорошо. Действительно, при повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влажности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при высокой влажности. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях уменьшается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следовательно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии человека.
Абсолютно сухого воздуха практически не бывает.
В 1913 г. английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочниках. Например, бензол начинает кипеть при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт — на 60, бром — на 59, а ртуть — без малого на 100°. Температура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашли удовлетворительного объяснения. В настоящее время известно, что тщательно высушенные газы NH3 и HG1 не образуют хлорида аммония, а сухой NH4C1 в газовой фазе не диссоциирует на NH3 и НС1 при нагревании. Кислотный триоксид серы в сухих условиях не взаимодействует с основными оксидами СаО, BaO, CuO, а щелочные металлы не реагируют ни с безводной серной кислотой, ни с безводными галогенами.
В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фосфор горят при температуре, на много превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях.
Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.
Ученые доказали, что вода в твердом состоянии имеет ажурное строение с полостями и пустотами. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, то он плавает на ней, а не опускается на дно. Это играет в природе очень важную роль. Если бы плотность льда была выше, чем воды, то, появившись на поверхности вследствие охлаждения воды холодным воздухом, он погружался бы на дно и в результате весь водоем должен был бы промерзнуть. Это катастрофически сказалось бы на жизни многих организмов водоемов.
Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного деления плавиться не при 00С, а при более высокой температуре. Так, лед, полученный при замерзании воды, который находиться под давлением 20 000 атм., в обычных условиях плавиться только при 800С.
Поваренная соль
Солевое голодание может привести к гибели организма. Суточная потребность в поваренной соли взрослого человека составляет 10-15 г. В условиях жаркого климата потребность в соли взрастает до 25-30 г.
Хлорид натрия нужен организму человека или животного не только для образования соляной кислоты в желудочном соке. Эта соль входит в тканевые жидкости и в состав крови. В последней ее концентрация равна 0,5—0,6 %.
Водные растворы NaCI в медицине используют в качестве кровезамещающих жидкостей после кровотечений и при явлениях шока. Уменьшение содержания NaCI в плазме крови приводит к нарушению обмена веществ в организме.
Не получая NaCI извне, организм отдает его из крови и тканей.
Хлорид натрия способствует задерживанию воды в организме, что, в свою очередь, приводит к повышению артериального давления. Поэтому при гипертонической болезни, ожирении, отеках врачи рекомендуют снижать суточное потребление поваренной соли. Избыток в организме NaCI может вызвать острое отравление и привести к параличу нервной системы.
Организм человека быстро реагирует на нарушение солевого баланса появлением мышечной слабости, быстрой утомляемостью, потерей аппетита, возникновением неутолимой жажды.
Поваренная соль обладает хотя и слабыми, но антисептическими свойствами. Развитие гнилостных бактерий прекращается лишь при ее содержании в 10—45 %. Это свойство широко используют в пищевой промышленности и при сохранении пищевых продуктов в домашних условиях.
При испарении морской воды при температурах 20— 35 °С вначале выделяются наименее растворимые соли — карбонаты кальция, магния и сульфат кальция. Затем выпадают более растворимые соли — сульфаты натрия и магния, хлориды натрия, калия, магния и после них сульфаты калия и магния. Порядок кристаллизации солей и состав образующихся осадков может несколько изменяться в зависимости от температуры, скорости испарения и других условий.
Поваренная соль, находящаяся на влажном воздухе, отсыревает. Чистый хлорид натрия — негигроскопичное вещество, т. е. не притягивает влагу. Гигроскопичны хлориды магния и кальция. Их примеси почти всегда содержатся в поваренной соли и благодаря им происходит поглощение влаги.
В земной коре довольно часто встречаются пласты каменной соли. Поваренная соль является важнейшим сырьем химической промышленности. Из нее получают соду, хлор, хлороводородную кислоту, гидроксид натрия, металлический натрий.
При изучении свойств почв ученые установили, что, будучи пропитанными хлоридом натрия, они не пропускают воду. Это открытие было использовано при строительстве оросительных каналов и водоемов. Если дно водоема покрыть слоем земли, пропитанной NaCl, то утечки воды не происходит. Для этой цели, конечно, применяют техническую соль. Строители используют хлорид натрия для устранения смерзания зимой земли и превращения ее в твердый камень. Для этого участки грунта, которые планируется вынимать, осенью густо посыпают NaCl. В этом случае в сильные морозы данные участки земли остаются мягкими.
Химики хорошо знают, что смешением мелкоизмельченного льда с поваренной солью можно получить эффективную охлаждающую смесь. Например, смесь состава 30 г NaCl на 100 г льда охлаждается до температуры -20 С0происходит 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