Химия вокруг нас - Юрий Кукушкин 3 стр.

На данном принципе основаны процессы образования искусственного дождя. Для этого в тучи вводят затравки, на которых происходит конденсация воды или кристаллизация льда. Крупные градины получаются в том случае, если кристаллизация происходит на малом количестве центров. Если в тучу будет введено много затравок, то получатся мелкие кристаллы льда (они не могут вырасти, так как вся вода будет закристаллизована), которые при падении на землю часто успевают расплавиться и превратиться в дождь. В качестве широко распространенных затравок служат иодид серебра AgI, иодид свинца PbI2 и другие вещества. Для широкого применения эти соли довольно дороги. Однако град может привести к гораздо большим экономическим потерям.

В республиках Средней Азии батареи градобойных зенитных пушек - картина весьма обычная. Из них в прямом смысле расстреливают грозовые тучи и таким образом спасают урожай от гибели.

Кроме дождя и града атмосферные осадки также выпадают в виде снега. Причудливые формы снежинок издавна привлекали внимание человека. Оказалось, что их форма, размер и характер зависят от вида и высоты облаков, в которых они образовались, от температуры тех слоев атмосферы, которые снежинкам пришлось пересечь при падении на землю. По виду снежинок метеорологи судят о погоде в верхних слоях атмосферы в дни, когда снегопад не позволяет вести наблюдения.

Лед. Вода - удивительное вещество. В отличие от других аналогичных соединений она имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т.е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

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.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый человек был свидетелем того, что замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин. Гораздо большую неприятность доставляет промерзание водопровода, так как при этом почти неизбежным результатом являются лопнувшие трубы. По этой же причине в предстоящую морозную ночь вода сливается из радиаторов охлаждения автомобильных двигателей.

Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то в соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления должно приводить к плавлению льда. Действительно, это наблюдается на практике. Хорошее скольжение коньков на льду обусловливается именно этим обстоятельством. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного давления плавится не при 0°C, а при более высокой температуре.

Так, лед, полученный при замерзании воды, который находится под давлением 20000 атм, в обычных условиях плавится только при 80°C.

Еще одна аномалия жидкой воды связана с неравномерным изменением ее плотности при изменении температуры. Уже давно установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°C. При охлаждении воды в водоеме более тяжелые поверхностные слои тонут, в результате чего происходит хорошее перемешивание теплой и более легкой глубинной воды с поверхностной. Погружение поверхностных слоев происходит лишь до тех пор, пока вода в водоеме охлаждается до +4°C. После этого порога плотность более холодных поверхностных слоев не увеличивается, а уменьшается и они плавают на поверхности не погружаясь. При охлаждении ниже 0°C эти поверхностные слои превращаются в лед.

Еще раз хотелось бы отметить, что чистая пресная вода - большая ценность и, к сожалению, ее природные ресурсы исчерпаемы. Воду нужно беречь и защищать от загрязнений, помня, что она - важная составная часть среды обитания человека. Подсчитано, что в нашей стране в водопроводной сети и ее арматуре за счет утечек в среднем теряется от 20 до 30% водопроводной воды. В некоторых странах разрабатываются водосберегающие технологии в бытовом водопользовании. Например, в Швеции сконструировано устройство и разработан способ удаления отходов в туалете с помощью сжатого воздуха и лишь небольшого количества воды. Созданы краны в умывальниках, которые автоматически отключают воду, когда человек отводит от него руки. Утечки воды иногда затапливают подвальные помещения и тем самым изменяют экологическую обстановку дома, района или даже города в целом. Массовое затопление подвалов в некоторых городах уже привело к появлению городских комаров - новой разновидности этих насекомых. Они размножаются не только летом, но и зимой и мигрируют по системам вентиляции, мусоропроводам, лестничным клеткам, создавая много неудобств жильцам таких домов.

Утечки вне домов на магистральных водопроводах приводят к снижению несущей способности грунтов, вызывают развитие оползней, создают подземные вымоины, что приводит к провалам грунта и иногда к разрушению зданий и сооружений.

Поваренная соль

С уверенностью можно сказать, что, по крайней мере, одно химическое соединение в довольно чистом виде имеется в каждом доме, в каждой семье. Это - поваренная соль или как ее называют химики - хлорид натрия NaCl. Известно, что, уходя из таежного приюта, для случайных путников охотники непременно оставляют спички и соль. Поваренная соль совершенно необходима для жизнедеятельности организма человека и животных. Недостаток этой соли приводит к функциональным и органических расстройствам: могут возникать спазмы гладкой мускулатуры, иногда поражаются центры нервной системы. Длительное 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 возрастает до 25...30 г. Это связано с тем, что хлорид натрия выводится из организма с потом и для восстановления утрат в организм нужно вводить больше соли. При работе в горячих цехах и в условиях сухого и жаркого климата врачи рекомендуют пить подсоленную воду (0,3...0,5%-ный раствор поваренной соли), так как соль способствует удержанию воды в тканях.

Если не давать животному пищи, то через какое-то время оно погибнет от истощения организма. Если животное кормить без ограничения, но обессоленной пищей, то оно умрет еще быстрее. Дело в том, что поваренная соль служит источником образования в желудке соляной (хлороводородной) кислоты, которая является составной частью желудочного сока. Суточное количество желудочного сока взрослого человека достигает 2 л. Его кислотность характеризуется значением рН, равным 1,5...2,0.

При пониженной кислотности врачи прописывают пациенту слабый водный раствор соляной (хлороводородной) кислоты, а при повышенной кислотности он испытывает изжогу и ему рекомендуют принимать питьевую соду. Она нейтрализует избыток кислоты в соответствии с уравнением

HCl + NaHCO3 = NaCl + CO2 + H2О

Пищевые белки, поступающие в желудок, под действием фермента (биологического катализатора) пепсина расщепляются на отдельные составляющие аминокислоты или блоки этих аминокислот. Из них синтезируется белок, присущий данному организму. Фермент пепсин образуется из другого фермента - пепсиногена. Для превращения пепсиногена в пепсин необходима соляная кислота. При ее недостатке в желудочном соке переваривание и усвоение белков не происходит или идет в малой степени. Соляная кислота также участвует в образовании гормона секретина и некоторых других гормонов, стимулирующих деятельность поджелудочной железы. Кроме того, она способствует переходу пищевых масс из желудка в двенадцатиперстную кишку и обезвреживанию микробов, попадающих в желудок из внешней среды.

Однако 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 NaCl в медицине используют в качестве кровезамещающих жидкостей после кровотечений и при явлениях шока. Уменьшение содержания NaCl в плазме крови приводит к нарушению обмена веществ в организме.

Не получая NaCl 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 NaCl 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...15%. Это свойство широко используют в пищевой промышленности и при сохранении пищевых продуктов в домашних условиях.

Нам трудно представить, что в прошлом во многих странах соль служила существенным источником пополнения казны, была важным предметом торговли. Из-за соли велись кровопролитные войны между соседними народами, а по причине непомерно высоких налогов, устанавливаемых на соль, происходили народные восстания (соляные бунты). Например, такой бунт произошел в Москве весной 1648 г. Этому послужил повышенный налог на соль, введенный царем Алексеем Михайловичем. Этот бунт окончился благополучно. Правительство, напуганное размахом волнений (из Москвы бунт перекинулся на Сольвычегодск, Устюг Великий, Соликамск), снизило уровень налога. Многие народные волнения в Китае, других странах Азии, в Европе кончались не столь благополучно.

В некоторых странах соль выполняла даже роль денежной единицы. Венецианский путешественник Марко Поло, посетивший Китай в 1286 г., описал использовавшиеся там монеты из кристаллов каменной соли. Особое распространение денежной единицы из соли получило во многих районах Центральной Африки. В Эфиопии стандартные бруски каменной соли были в ходу в качестве денежной единицы еще в XIX в. Многочисленные исторические документы свидетельствуют о том, что римским воинам, а затем и крестоносцам нередко жалование выплачивали солью. Ученые считают, что, возможно, с этим связано происхождение французского слова "салер" (жалование) и итальянского "сольди" (мелкая монета).

Организм первобытного человека получал необходимую соль с пищей животного происхождения. Однако потребности организма заставляли искать ее в более концентрированном виде. Давно было обнаружено, что некоторые растения имеют приятный соленый вкус. Такие растения сушились, а затем сжигались в костре. Получающуюся золу использовали в качестве приправы к пище.

Позднее люди научились поливать горящие в костре куски дерева соленой водой из моря или озера и оставшуюся золу также использовать в пищу.

Уже за две тысячи лет до н.э. китайцы научились получать поваренную соль выпариванием морской воды. Способ извлечения соли из морской воды выпариванием независимо был изобретен также в различных других странах. Вначале он появился в странах с сухим и жарким климатом - в Индии, Греции, Риме. Позднее таким способом соль стали добывать во Франции, Испании, в Крыму. На севере нашей страны морская вода выпаривалась (варилась) в больших чанах, а источником энергии служили дрова. Однако в северных районах, в частности на берегах Белого моря, было и существенное усовершенствование способа извлечения соли из морской воды.

Поморы давно заметили, что при замерзании морской воды лед получается несоленым, а оставшаяся незамерзшая вода становится гораздо солонее. Расплавляя лед, можно получать пресную воду из морской, а из рассола вываривали поваренную соль с меньшими энергетическими затратами.

Все, кто пробовал на вкус морскую воду, помнят, что она имеет горьковатый привкус и мало похожа на водный раствор поваренной соли. Это означает, что в морской воде кроме хлорида натрия содержатся другие соли. Опять же, кому доводилось быть на различных морях, помнят, что по вкусу, плотности, по раздражающему действию на глаза воды отличаются, а значит, они имеют разный состав. Тем не менее среднее содержание (мас. доля,%) солей в морской воде выглядит следующим образом: NaCl - 77,8, MgCl2 - 10,9, MgSO4 - 4,7, KCl, K2SO4 - 2,5, CaCO3, Ca(HCO3)2 - 0,3, другие соли - 0,2.

При испарении морской воды при температурах 20...35°C 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. При испарении морской воды в естественных условиях последовательно образуются следующие минералы:

Несмотря на то что этот список минералов большой, нужно помнить, что основная масса принадлежит хлориду натрия. При варке соли испарение рассола проводят не досуха и оставшийся богатый солями магния раствор отбрасывают.

Горьковатый вкус морской возы обусловлен именно солями магния.

Многие знают, что 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 удаленных от моря районах иногда встречаются подземные соляные источники. Люди издавна использовали их для вываривания соли. В нашей стране уже со времени владычества татарского хана Батыя и его потомков поваренная соль добывалась из озер Нижнего Поволжья, с сухим и жарким климатом. В созвездии соляных озер этого района особенно выделяются озера Эльтон и Баскунчак. Промышленная эксплуатация озера Эльтон осуществляется более полутора веков. Свежеосажденная соль за многие геологические периоды преобразовалась в осадочную породу - монолит каменной соли. Окраска и прозрачность последней зависит от характера примесей.

Исследования озера Эльтон показали, что его донная толща состоит из двух мощных пластов каменной соли, разделенных слоем глины. Толщина нижнего слоя в среднем равна 14,4 м, а верхнего, выстилающего дно, - 18,25 м. Этот слой простирается более чем на 150 км.

Озеро Эльтон имеет большой запас поваренной соли, но еще более богато этой солью озеро Баскунчак, которое и является в настоящее время основной сырьевой базой в Нижнем Поволжье.

В земной коре довольно часто встречаются пласты каменной соли. Считают, что они получены в результате деформации земной коры с пластами осадочных пород, образовавшихся в результате выпаривания морской воды или вод соляных озер. Каменная соль при деформациях выдавливается вверх с образованием сплошных соляных куполов, обычно имеющих в плане округлую форму и достигающих нескольких километров в диаметре. Одно из таких давно разведанных месторождений каменной соли расположено близ Илецка в Оренбургской области. Соляной купол этого месторождения простирается на 2 км в длину, 1 км в ширину и уходит вглубь также на 1 км.

В Пермской области эксплуатируется богатейшее месторождение сильвинита. Это соляная горная порода, состоящая из NaCl и KCl. При его переработке на удобрение извлекается KCl, a NaCl является отходом. Путем простой промывки водой (KCl растворяется лучше, чем NaCl) получается техническая соль с 98%-ным содержанием.

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°C. Это происходит потому, что водный раствор соли замерзает при отрицательных температурах. Следовательно, лед, имеющий температуру около 0°C, будет плавиться в таком растворе, отнимая теплоту от окружающей среды. Это свойство смеси льда и поваренной соли могут с успехом использовать также и домохозяйки.