Текст книги "Из чего всё сделано? Рассказы о веществе"

Автор книги: Любовь Стрельникова

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 11 страниц)

Кислород нужен и в промышленности. Благодаря ему можно поддерживать высокую температуру горения в домнах или печах, где выплавляют металл. Он необходим на тех производствах, где продукцию получают с помощью реакций окисления. В общем, чистого кислорода нужно много.

Как же его получить? Химикам известно множество разных способов. Например, можно пропустить электрический ток через воду, и ее молекулы разложатся на составные части – водород и кислород. Или взять вещество, которое химики мудрёно называют перманганатом калия, а бабушка и мама попросту марганцовкой. Оно наверняка есть в вашей домашней аптечке – пузырёк с темно-фиолетовыми, почти чёрными мелкими кристалликами. Если его нагреть, то в результате будет выделяться чистый кислород.

Или другое вещество из той же аптечки – перекись водорода. Она, как и вода, сложена из атомов водорода и кислорода, только в ней на два атома водорода приходится не один, а два атома кислорода. Перекись водорода – относительно неустойчивое соединение и постепенно разлагается, превращаясь в воду и выбрасывая «лишний» кислород. Но этот процесс можно ускорить, например бросив в кружку, в которую вы вылили пузырёк перекиси, несколько небольших кусочков сырых овощей. Жидкость в кружке буквально вскипает от выделяющихся пузырьков чистого кислорода. То же самое происходит, когда мама смачивает перекисью вашу разбитую коленку. В этом случае разложение перекиси водорода ускоряют вещества, содержащиеся в вашей крови. А выделяющийся, очень активный кислород убивает все микробы, которые могли попасть в рану из земли.

Но все эти способы хороши для лабораторных экспериментов или для бытовых нужд. А вот для получения больших количеств кислорода нужно что-то другое, какая-то простая и дешевая технология.

Эту технологию придумал в тридцатые годы прошлого века великий русский физик Пётр Леонидович Капица. Он сконструировал аппарат, который позволял сильно охлаждать (до минус 196 градусов) и сдавливать воздух, в результате чего тот становился жидким, а потом эту жидкость разделять на ручейки чистейшего кислорода и азота. Струя жидкого кислорода и вправду похож на ручей, потому что он прозрачный и голубоватого цвета.

Сокровища из полена

Уж коль мы заговорили о растениях, то давайте присмотримся повнимательнее к этому источнику самых разных веществ. Эти вещества, приготовленные природой, химики могут брать, переделывать и превращать в то, что нам необходимо.

Возьмём, к примеру, дерево. Его клеточки неустанно трудятся, производя множество разных соединений, которые идут на строительство новых клеток. А ещё из них складываются волокна, которые формируют древесину. Вот так дерево растёт и растёт.

Чего же в древесине больше всего? Больше всего целлюлозы. Это вещество представляет собой длиннющие цепи из повторяющихся фрагментов, которых может быть очень много. А каждый фрагмент – это красивая ажурная конструкция из атомов углерода, водорода и кислорода. Эти молекулы-нити образуют стенки всех клеточек растений. Потому целлюлоза так и называется – от латинского cellula, клетка. Молекулы целлюлозы складываются в длинные гибкие волокна. Они переплетаются и выстраивают ствол и ветки дерева. Именно они делают растение гибким и жёстким – стебелёк гнётся под ветром, но не ломается. Есть в древесине и другие органические вещества. Но для нас с вами сейчас интересна именно целлюлоза.

Чем же эта целлюлоза так заманчива? Например, тем, что из неё можно делать бумагу. Вообще-то, честно говоря, бумагу можно делать почти что из любых волокон, главное, чтобы это были именно волокна – хлопка, бамбука, тряпья и многого другого. В 1765 году в немецком городе Равенсбурге вышла необычная книга. Её бумажные страницы были сделаны из разных материалов – опилок, хмеля, торфа, осиных гнезд, мха, капусты, стеблей осоки, льняного и хлопчатого тряпья... Шестьдесят страниц – шестьдесят материалов. И всё равно – бумага!

Но первую бумагу, секрет которой придумали в Китае почти две тысячи лет назад, делали из бамбука. Вот как выглядела эта древняя технология. Молодые двухлетние стволы бамбука опускали на две недели в воду (в чаны или просто в реку). Размоченный бамбук резали на короткие куски и кипятили, пока он не превращался в рыхлую массу. Эту массу толкли в большой ступе, затем полученное месиво разбавляли водой до густоты молока и держали некоторое время на солнце. Масса становилась светлее, то есть отбеливалась на солнце. А потом «бумажное молоко» выливали на частое сито из шёлковых нитей. Когда жидкость стекала, лист прессовали и сушили. Бамбуковая бумага готова.

Интересно, что современная технология изготовления бумаги, которая появилась у нас в семнадцатом веке и постепенно совершенствовалась, очень похожа на ту, что я только что описала. Сейчас для производства бумаги берут хвойные породы деревьев – просто кладезь волокон, которые нам нужны. Кстати, у нас в стране больше всего именно хвойных пород: самое распространённое дерево в России – лиственница. (Признайтесь, вы ведь подумали – берёза?)

Целлюлоза – это главное и, пожалуй, самое распространённое природное вещество, из которого строятся стенки клеток растений, а также скелет листочков, веток и стволов. Посмотрите, как устроен листок. Он очень похож на само дерево. Такое подобие – ещё один фундаментальный закон природы

Этот ручной пресс для изготовления бумаги в домашних условиях хоть и выглядит старым, но по сравнению с самой бумагой просто юнец

Сначала с дерева снимают кору, потом его рубят на мелкие щепки размером с ноготь. Эти щепки обрабатывают горячим водяным паром, чтобы они промокли насквозь. Затем их отправляют в варочную машину, где при 170 градусах и высоком давлении щепки варятся в растворе щёлочи – соединения натрия, кислорода и водорода. Это очень едкое вещество, и оно решает главную задачу – вынимает из щепок и переводит в раствор все лишние вещества, оставляя только волокна целлюлозы.

После такой процедуры целлюлоза имеет темноватый оттенок. Поэтому её отбеливают. Но не солнечными лучами, как в Древнем Китае, а с помощью очень сильных и едких веществ, например хлора и той же щёлочи. Отбелённую целлюлозу размалывают почти что в порошок, смешивают с разными веществами – каолином (помните, глина для фарфора?), чтобы бумага была белая и плотная, и полимерами, чтобы она была гибкая и блестящая. И то, что получилось, а получаются такие белые густые «сливки», отправляют на бумагоделательную машину.

Представьте себе бесконечное полотно, сплетённое из металлических или пластиковых нитей. Бумажная масса равномерно растекается по этому полотну, специальные отсасывающие устройства убирают из неё воду. Потом она проходит между валками, которые ещё больше отжимают воду. Потом её сушат на специальных горячих цилиндрах, внутрь которых подаётся горячий пар. Наконец почти сухую бумагу проглаживают, как горячим утюгом, пропуская между двумя нагретыми валиками, отчего она становится гладкой. Вот и всё. Бумага готова. Её сматывают в рулоны и упаковывают.

Не жалко?

«Разве не жалко деревья? – спросите вы. – Так и все леса можно вырубить». Легко, если уничтожать их бездумно, варварски, не считаясь с природой. Но можно подойти к делу и по-хозяйски. Ведь у растений есть потрясающая способность – они всё время растут, то есть всё время воспроизводят сырьё, которое нужно химикам. Как скажут специалисты, это «возобновляемое сырьё». Совсем не трудно соизмерить свои аппетиты с той скоростью роста деревьев, которая предусмотрена в природе. И при этом не забывать, что на месте вырубленных деревьев надо обязательно сажать новые.

Гигантские горы древесных опилок перерабатывают целлюлозно-бумажные комбинаты, чтобы сделать для нас бумагу любого вида и назначения

Кстати, сейчас исследователи в разных лабораториях мира работают над тем, чтобы создать быстрорастущие породы деревьев. Этим занимается относительно молодая область науки, называемая генной инженерией. Может быть, вы станете генным инженером и создадите такую породу сосны, которая будет вымахивать за три-четыре года на двадцать метров. Было бы здорово, потому что древесина нам очень нужна.

Одних только типов бумаги мы сегодня делаем несколько сотен – для газет и журналов, книг и нот, для письма, черчения и рисования, для денежных знаков, морских карт и переплётов, для салфеток и упаковки, носовых платков и туалетной бумаги, для принтеров и обоев, для электроизоляции и слоистых пластиков.

Но не только бумага. Из дерева мы по-прежнему строим красивые и комфортные дома в деревнях и на дачах. Ведь древесина удерживает тепло, поглощает звук, радует глаз, потому что красивая и пахнет замечательно. Вот рассказываю я вам о деревьях и явственно представляю запах свежих сосновых досок.

Из чего сделан запах?

Неужели запах тоже состоит из вещества, спросите вы? Конечно! Причём – из множества веществ. Яркий и запоминающийся аромат розы, или ландыша, или сирени сложен из сотен самых разных веществ с причудливыми формулами. Веществ, которые производят в своих клетках сами растения, чтобы привлечь к себе внимание насекомых, которые их опыляют и тем самым помогают им размножаться.

Однако не только насекомые принюхиваются к цветам. Человек тоже любит приятные запахи. Достаточно лишь нескольким молекулам пахучего вещества залететь к нам в нос, как специальные клеточки на слизистой оболочке носа (их называют рецепторами) посылают сигнал в мозг. И эти сигналы очень важны для человека. Вы ведь не будете есть еду, которая плохо пахнет? Конечно, нет, иначе можно отравиться. И от этого вас предостережёт запах. А иной противный запах, например сероводорода (запах тухлых яиц), просто даёт вам команду немедленно уходить отсюда, здесь опасно. И действительно, в больших количествах сероводород ядовит. А есть запахи, которые успокаивают нас, поднимают настроение, будоражат память. Вот почему папа дарит маме на восьмое марта одни и те же духи. Он знает, что их запах каждый день будет напоминать маме о нём.

 На таких дирижаблях путешествуют охотники за запахами из исследовательского центра швейцарской парфюмерной компании Givaudan. Они летят над непроходимыми джунглями и высматривают места, где растут экзотические цветы. Там охотники и высаживаются

Профессор Роман Кайзер настраивает прибор, который будет собирать аромат живого цветка.

Человек долго искал источник запаха в цветках, пока наконец не обнаружил пахучие масла, которыми пропитаны не только части цветка, но даже листочки растения, а иногда и ветки. Обнаружив это богатство и научившись его выделять из растений, люди придумали всякие благовония, чем сильно украсили нашу жизнь. Поначалу парфюмеры – изготовители благовоний – брали природные ароматные масла, разбавляли их чистейшим спиртом и получали духи и одеколон. А чего голову ломать, если природа уже всё придумала и приготовила. Прыснул духами на кожу, спирт тут же испарился, потому что очень летучий, а ароматные вещества остались. Они ещё долго, в течение дня и больше, будут покидать нашу кожу. Сначала улетят самые лёгкие вещества, потом те, что потяжелее. Вот почему духи в течение дня меняют свой аромат.

Но всё-таки, согласитесь, интересно же узнать, что там, в этих маслах, так пахнет! Это стало возможным не так давно, когда у химиков появились приборы и методы, позволяющие разделить смесь неизвестных веществ на составляющие и узнать, как выглядит, то есть какова структура каждого из них. Появилась даже такая профессия, что ли, – охотники за запахами. Они отправляются в самые дикие и потаённые уголки нашей планеты и ищут неизвестные цветы с необычным, приятным ароматом. В иные тропические заросли порой удаётся добраться только на воздушных шарах и дирижаблях. Хотела бы я поработать таким охотником!

Если цветок найден, охотник надевает на него специальный приборчик. Он не повреждает цветок и не мешает ему источать аромат. А это и нужно прибору, который собирает выделяющиеся ароматные вещества. Через день-другой-третий в плену оказывается много аромата, поэтому прибор снимают, плотно закрывают и отправляют в химическую лабораторию. Здесь-то собранный запах и разложат на части.

Этих частей, то есть веществ, набирается до нескольких сотен. Большинство из них парфюмерам уже знакомо, некоторые они видят впервые и тогда пытаются создать их в лаборатории, получить из других, имеющихся в распоряжении веществ. Но в аромате ещё очень важно сочетание и соотношение компонентов. Этому искусству точного смешивания химики тоже учатся у цветов. А ещё исследователи, распознав строение природных ароматных веществ, пытаются искусственно сконструировать новые, неизвестные природе запахи.

Сегодня ароматные вещества, созданные руками химиков, теснят природные. Да и напасёшься разве на всех ландышей и лилий? Но в большинстве дорогих духов обязательно присутствуют природные душистые вещества, к которым добавлены рукотворные. Для современных парфюмеров какой-нибудь синтетический гидроксицитронеллаль или что-то в этом роде стал обычным делом, они даже произносят это неудобоваримое название без запинки.

Этот прибор и колба, надетая на цветок, нисколько не вредят растению. Через день-другой прибор отсоединят, капсулы с ароматами увезут в исследовательский центр, а цветок продолжит свою жизнь

Дайте бабушке валерьянку!

Ну вот, запахло валерьянкой. Наверное, бабушка накапала себе порцию перед сном (количество капель – по числу лет), чтобы лучше спалось. Очень грамотное решение! Настойка валерианы действительно отгоняет бессонницу и снимает нервное возбуждение после общения с непоседливыми и пытливыми внуками. А для нас с вами эта настойка – ещё один химический подарок природы.

Растения одаривают нас не только целлюлозой и душистыми веществами, но ещё и лекарствами. Валериана лекарственная – типичный тому пример. Самое замечательное в этом растении, которое вымахивает до полутора метров в высоту, это запах, который ни с чем не спутаешь, – пахнет аптекой. Больше всего пахнут не стебли и листочки (а цветки и вовсе не пахнут), а корни этого растения. Из них-то и извлекают ценные лекарственные вещества.

Их там – целый букет. И поди разбери, которое из них главное. Боюсь, что и сейчас химики и фармацевты не дадут точного ответа на этот вопрос, хотя о лечебных свойствах валерианы знали ещё древние греки две с половиной тысячи лет назад. Они называли её средством, способным управлять мыслями. В нашей стране сбор валерианы в промышленном масштабе начался триста лет назад, ещё при Петре Первом. Сделать целебную настойку нетрудно, лекарственные вещества сами выходят из корней, если их выдерживать в воде или спирте.

Ну вот, теперь кошка забегала, как ненормальная, валерьянку учуяла. Кстати, ещё одна удивительная загадка: почему кошки так любят валерьянку – от её запаха просто наизнанку выворачиваются, глазки мечтательно закатывают и мяукают как-то загадочно. Наверное, поэтому у валерианы лекарственной есть ещё одно название – «кошачий маун». Да, вещество – это страшная сила.

Валериана – лишь один представитель огромного сообщества лекарственных растений, которое насчитывает сотни видов. Ромашка, календула, пустырник, тысячелистник, череда... В каждом доме в аптечке обязательно найдутся пакетики с лечебными травами, отварами которых можно и горло полоскать, и выпить их при надобности, и примочки сделать. В медицине даже сформировалось целое направление – фитотерапия, то есть лечение травами. Хотя фитотерапия, конечно, гораздо старше той привычной медицины, которой мы сейчас пользуемся. Ведь в давние времена люди лечились только травами, таблеток не было.

Впрочем, ценность растений не заканчивается на их целебных свойствах. Из растений мы можем взять и многое другое. Например, из свеклы мы умеем выделять чистый сахар, из кукурузы и картошки – крахмал. Не говоря уже о том, что мы растения едим, поглощая вместе с ними вещества, так необходимые нашему организму для жизни, – витамины, углеводы, разные соли и микроэлементы. Вот уж поистине бесценный химический дар. Но кажется, я забыла об ещё одной составляющей этого богатства. Немедленно исправляю свою оплошность.

Вот так выглядит валериана лекарственная. Главные целебные вещества у неё содержатся в корнях. Из них-то и делают валериановую настойку

Мантия римского патриция и протертые джинсы

Почему ваши джинсы такие синие, а мамина кофта такая красная? Потому что они покрашены специальными красками, скажете вы. Верно, только не красками, а красителями. Именно так называют вещества, которыми окрашивают волокна и материалы. Джинсы и кофта приобрели красивый яркий цвет благодаря современным красителям, которые научились делать химики. Но у каждого из них есть предки, рожденные природой. Ведь сначала человек нашел красители в природе и начал их с радостью использовать. А потом, потратив сотни лет, понял, как устроены их молекулы, и научился делать такие же и даже лучше в своих лабораториях и на заводах. В очередной раз химики воспользовались подсказкой природы.

Вообще, чтобы получить любой цвет, достаточно лишь трех красителей – красного, синего и жёлтого. Смешивая их в разных пропорциях и сочетаниях, можно получить любой оттенок любого цвета. Вы и сами наверняка получали чистый зелёный цвет, проводя синим фломастером по бумаге, выкрашенной жёлтым фломастером.

Эти три главных красителя люди научились добывать из растений и животных в очень давние времена, тысячи лет назад. Наверное, для растений и животных это было не лучшим поворотом судьбы, но для человечества и химии такие находки стали вполне судьбоносными.

В давние времена на Востоке индиго, окрашивающее ткани в прекрасный синий цвет, было одной из самых дешёвых и распространённых красок. Добывали его из индигоферы красильной, которая в изобилии произрастала в Индии. Этот промысел существовал в Индии уже четыре тысячи лет назад. Потому в названии «индиго» звучит Индия, хотя это растение обитает и в Южной Азии, и в Китае, и в Японии, и во многих других странах.

И знаете, что интересно? Само растение – совершенно обычное, то есть зелёное, и цветочки у него розовые или фиолетовые, никаких следов синей краски не видно. А их и не должно быть, потому что в растении содержится не само индиго, а его предшественник, только половинка молекулы индиго. Но стоит этой половинке оказаться на воздухе, как начинается быстрое... Что? Правильно, окисление. Половинки соединяются, и получается синий краситель.

Вот как его делали в давние времена. Листья растений загружали в большие чаны или даже в ямы и заливали водой. Вещества из растений постепенно растворялись в воде, окислялись на воздухе, и в воде появлялись синие хлопья индиго, которые оседали на дно.

 Синие и голубые джинсы шьют из специальной хлопчатобумажной ткани, нитки которой окрашены красителем индиго

Сегодня технология выглядит иначе, потому что ткани, в том числе и ту, из которой шьют джинсы, окрашивают синтетическими красителями. Их делают на заводе уже без помощи растений. Это стало возможным благодаря упорной и многолетней работе знаменитого немецкого химика Адольфа фон Байера. Он потратил восемнадцать лет, чтобы понять, как устроена молекула индиго. Это случилось в 1883 году. Но понадобилось ещё семь лет, чтобы создать промышленную технологию, позволяющую делать индиго на заводах, и ещё семь лет упорного труда и множество усовершенствований, чтобы, наконец, первая партия синтетического индиго увидела свет. Человечество не забыло о заслуге А. Байера – в 1905 году ему была присуждена Нобелевская премия по химии.

У индиго есть химический родственник, только красного цвета – пурпур. В давние времена пурпур добывали из морских моллюсков – улиток, которые обитают во всех европейских морях и называются багрянками красильными. И здесь, между прочим, та же самая история. Само тельце моллюска вовсе не красное. Его размельчали в воде, полученным раствором пропитывали ткань, развешивали её на воздухе, и она приобретала пурпурный цвет. Почему так происходило, мы уже знаем – предшественник пурпура окислялся на воздухе и становился пурпуром.

Из десяти тысяч улиток можно было получить немногим более одного грамма красителя, поэтому ткани, окрашенные пурпуром, могли себе позволить только очень богатые люди. Пурпурная мантия или тога были признаком высочайшего положения в обществе, их носили разве что древнеримские патриции.

Там, где не было моллюсков, люди научились добывать красную краску из растений и даже насекомых. Видимо, природа любит красный цвет. Известный с древности краситель крапп добывали из корней марены красильной. Это такой невысокий кустарничек с метёлками неярких цветков. Ради яркой и стойкой краски её разводили когда-то почти во всех государствах Европы и Азии. А ещё люди научились делать на основе краппа краску практически любого цвета – коричневого, черного, фиолетового, оранжевого или жёлтого, как канарейка, добавляя к нему различные измельчённые минералы.

Тайну этого красителя удалось разгадать в 1826 году французским химикам П. Робике и Ж. Колену. Они выделили в чистом виде и описали свойства основного красящего вещества, названного ализарином. Однако синтетический ализарин удалось получить лишь спустя сорок три года. Сегодня на основе синтетического ализарина делают и другие, более сложные красители. Так что марене красильной теперь уже ничего не угрожает. Впрочем, не совсем так. Природный крапп в наши дни по-прежнему добывают в некоторых странах Азии. Им красят нитки для ковров. Говорят, что эта краска не выцветает столетиями.

А вот ещё один природный источник красного красителя – насекомое кошениль, которое живёт на кактусах. Древние ацтеки и майя – народы, обитавшие в Центральной Америке, – собирали этих насекомых, убивали их водяным паром или нагреванием, а потом размалывали. В порошке, который получался, содержалось до 10% красящего вещества – карминовой кислоты. Она окрашивает шёлк и шерсть в ярко-красный цвет.

А что же жёлтый краситель? У него тоже есть чудесный природный источник – растение крокус. Оно наверняка хорошо вам знакомо, ведь крокусы одними из первых расцветают весной на дачной клумбе, радуя маму и бабушку. Но всё же самое ценное в них – это так называемые рыльца в цветке. Их собирают, перемалывают и получают порошок под названием «шафран», который где только не используют – и как приправу, и как краситель для теста, сыров, масла, кондитерских изделий, и конечно же как краситель для ткани. Что же в шафране такого красящего? А это вещества под названием «каротиноиды». Они, кстати, есть и в морковке. Попробуйте натереть большую морковку на тёрке, а потом посмотрите на свои руки – они станут жёлтыми.

К счастью, время природных красителей позади. Живые существа, содержащие столь привлекательные красящие вещества, теперь почти что в безопасности. Ведь химики научились их делать сами. Правда, для этого потребовались сотни лет, пока развилась наука химия, пока появились химики, реактивы и лаборатории. Зато сегодня на химических заводах производят более полутора тысяч синтетических красителей на все случаи жизни и для любых тканей.

Жёлтый краситель шафран с давних времен извлекают из жёлтых сердцевинок вот таких красивых и нежных цветов – крокусов, или первоцветов. Для того чтобы собрать полкило шафрана, нужно плотно засадить крокусами целое футбольное поле