Книга по химии для домашнего чтения - Борис Степин

Хорошим разбавителем кислорода оказался гелий He — химически инертный газ, не имеющий ни вкуса, ни цвета, ни запаха. Гелий безвреден для человека и не вызывает при большом давлении наркотических явлений. Впрочем, есть у гелия один изъян: сжатый гелий делает человеческую речь неразборчивой, похожей на паническое утиное кряканье. Кроме того, гелий из-за высокой теплопроводности при резких движениях гидронавтов в подводном доме может вызвать переохлаждение тела (см. 5.83).

7.6. ВДОХ И ВЫДОХ

Мы более или менее точно знаем, что вдыхает человек. А что он выдыхает?

В составе выдыхаемого человеком воздуха кроме диоксида углерода CO2, азота N2 и неизрасходованного кислорода O2 присутствуют в небольшом количестве вещества, образовавшиеся в результате сложных биохимических реакций, протекающих в нашем организме: углеводороды, спирты, аммиак NH3, муравьиная HCOOH и уксусная CH3COOH кислоты, формальдегид HCHO и даже ацетон (CH3)2CO. На высоте 10 км в сильно разреженном воздухе в выдыхаемом газе резко возрастают концентрации аммиака, аминов, фенола C6H5OH, ацетона и даже появляется сероводород H2S.

7.7. КОГДА КИСЛОРОД ВРЕДЕН?

На живые организмы токсическое воздействие оказывает не молекулярный кислород O2, а его производные: озон O3, возбужденные молекулы кислорода O*2, радикал гидроксил ОН (см. 3.53), атомарный кислород О, радикал гидропероксид HO2, ион-радикал надпероксид O2-.

Все эти частицы образуются в результате тех или иных фотохимических реакций. Например, диоксид азота NO2, входящий в состав выхлопных газов автотранспорта и газовых выбросов заводов, разлагается под действием света (hν) на монооксид азота NO и атомарный кислород О, а последний с кислородом образует озон:

NO2 =hν= NO + О; О + O2 = O3.

Диоксид азота, взаимодействуя с влагой воздуха, превращается в смесь двух кислот: азотной HNO3 и азотистой HNO2:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2.

Азотистая кислота под действием света выделяет гидроксил:

HNO2 =hν= NO + O*.

Активные формы кислорода действуют на живые организмы и их биологические формы разрушительно. Кстати, теперь объясняют возникновение лучевой болезни образованием активных форм кислорода при разложении воды организма под действием ионизирующих излучений:

H2O =hν= O*H + H+ + e-; H2O + О*Н = H2O2 + H+ + e-, H2O2 =hν= HO*2 + H+ + е-.

Очевидно, что встреча живого организма с активными формами кислорода, входящими, между прочим, в состав смога (см. 7.3), не сулит ему ничего хорошего.

7.8. ХУДОЙ ЗОНТИК

«Вся твоя маскировка —30 метров озона!Твои миги сосчитаныНаведенным патроном.30 метров озона —Вся броня и защита…»

(А. Вознесенский, поэма «Оза», гл. III)

Надежно ли защищает озоновая оболочка Земли от смертоносного ультрафиолетового излучения все живое?

Толщина слоя озона O3 в стратосфере в 30 м — гипербола. Его распределение по высоте неравномерно. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 15–25 км. На этой высоте солнечная радиация (hν) «дробит» молекулы кислорода O2 на атомы, которые и образуют озон:

O2 =hν= 2O; O2 + O = O3.

Если собрать весь озон, находящийся в атмосфере, и опустить его до поверхности Земли, то при давлении в 0,1 МПа и температуре 25°C получится слой озона всего в 3 мм.

Озоновая оболочка Земли химически неустойчива и может местами утончаться от воздействия ряда веществ. Первая гипотеза появления озоновых «дыр» предполагала возможность разрушения озона под действием фреонов — фторуглеродных соединений, например дифтордихлорметана CCl2F2, которые широко применяются в качестве теплоносителя в холодильных агрегатах и газа-разбрызгивателя в аэрозольных баллончиках. Фреоны, а также другие многотоннажные вещества, содержащие хлор (CCl4, C2H4Cl2 и др.), подвергаются фотодиссоциации под действием солнечного излучения (hν):

CCl2F2 =hν= CClF2 + Cl*.

Затем атомы хлора, взаимодействуют с озоном, а образовавшаяся молекула-радикал ClO еще и препятствует появлению озона:

Сl*O + O = Сl* + O2.

Вторая гипотеза предполагает участие в разрушении озона клатратов — твердых соединений газов с водой (см. 5.11, 5.12). В стратосфере при минус 60–90°C озон может превращаться в клатрат, например O3∙5,75Н2O, который механически выносит озон из стратосферы. В слоях более близких к поверхности Земли, где температура выше, такой клатрат распадается на кислород и воду.

Эти причины привели, видимо, к существенному уменьшению концентрации озона над Антарктидой, где динамический режим атмосферы собрал большую массу разрушителей озона. В заключение заметим, что озон не только поглощает биологически активную часть ультрафиолетового излучения Солнца, но и принимает участие в формировании теплового режима поверхности нашей планеты. Он задерживает уходящее от Земли тепло в тех спектральных интервалах («окна прозрачности»), где CO2 и H2O поглощают это тепло плохо.

7.9. ВЕСЕЛЯЩИЙ ГАЗ

Монооксид диазота N2O употребляют в больницах как наркотический газ. Каковы последствия вдыхания этого газа?

Монооксид диазота N2O, известный в прошлом столетии больше под названием «веселящий газ», обладает слабым приятным запахом и сладковатым вкусом. В смеси с воздухом он действует на человека по-разному. Все зависит от возраста, концентрации N2O и принятой дозы. Вот как описывает действие газа американский химик Вудхауз (см. 2.46): «Я дал вдохнуть… Генри Латробу, 14 лет от роду. Через минуту я мог наблюдать его действие. Генри двигался по лаборатории прыжками, высоко поднимая ноги… Господин Томас Люис впал в ужасный гнев. Он схватил меня за шиворот, дергал за галстук, оторвал воротник, бегал по комнате и лез со всеми в драку… У. Тейлор упал в обморок, длившийся несколько минут».

7.10. РИСКОВАННЫЙ ОПЫТ РОЗЬЕ

Французский химик XVIII в. Пилатр де Розье заинтересовался, что будет, если вдохнуть водород: до него этого никто не пробовал. А что было дальше?

Не заметив сначала никакого эффекта, Розье решил убедиться, проник ли водород в легкие. Еще раз глубоко вдохнув водород, он выдохнул его… на огонь свечи. Водород был, конечно, смешан с воздухом, и произошел взрыв! Розье впоследствии писал: «Я думал, что у меня вылетят все зубы вместе с корнями». Тем не менее он остался доволен результатом опыта, который едва не стоил ему жизни.

7.11. ГЕЛИЙ-ИНДИКАТОР

Знаете ли вы, что в воздухе угольных пластов, готовых к внезапному разрушению, повышается содержание этана C2H6 и пропана C3H8?

Определяя состав шахтных газов, можно заблаговременно узнать о том, что пребывание в шахтах стало опасным. Есть и еще более точный метод: оказалось, что состав примеси различных изотопов (см. 4.60) гелия, Не-3 и Не-4, в шахтном воздухе меняется, когда вблизи появляются глубинные геологические деформации, например трещины или пустоты, заполненные взрывоопасными газами. Если изменение соотношения изотопов Не своевременно обнаружено, то становится возможным изолировать деформации или прекратить все работы. Изотопный способ универсален и пригоден для предотвращения несчастных случаев не только в угольных, но и в соляных и рудных шахтах.

7.12. МОРОЗ-ВЗРЫВАТЕЛЬ

Верно ли, что холод способствует взрывам в угольных шахтах?

Жидкие включения метана CH4 и диоксида углерода CO2 при падении давления склонны бурно вскипать, разрушая пласты горной породы. Поскольку сжижение газов идет тем легче, чем ниже температура угля, то подобные катастрофы в неглубоких выработках в холодную погоду наиболее вероятны.

7.13. ПОБЕДА ДЭВИ

«Два великих события потрясли Англию в 1816 г.: победа Веллингтона над Наполеоном и победа Дэви над рудничным газом».

(Из записок писателя Гроузера)

В 1812 г. на шахте Феллинга в Англии, вблизи г. Ньюкэстл, взрывом метана CH4 («рудничный газ») за несколько секунд было убито более 100 шахтеров, сотни остались калеками. Правительство обратилось за помощью к химику Дэви (см. 2.44). После долгих экспериментов, проведенных совместно с Фарадеем (см. 2.45), во время которых Дэви неоднократно повреждал лицо и руки осколками взрывающихся стеклянных сосудов, они предложили простую конструкцию шахтерской масляной лампы, не вызывающей в шахтах взрыва смеси метана с воздухом.