Страница 15 из 18
Хоть сера и казалась нашим далёким предкам чем-то инфернальным, некоторые климатологи сейчас на полном серьёзе предполагают, что сера сможет замедлить глобальное потепление и спасти планету. Диметилсульфид образуется при разложении диметииилсульфонпропионата, гормона, который вырабатывается океанским планктоном. Летучесть диметилсульфида и его плохая растворимость в воде приводит к тому, что ежегодно в атмосферу попадает около 20 миллионов тонн диметилсульфида, который окисляется до серной кислоты, играющей в атмосферной химии роль зародышеобразования облаков, экранирующих поверхность Земли от излучения Солнца. Получается так – потепление приводит к увеличению роста и биологической активности планктона, в результате своей деятельности выделяющего больше вещества, которое, как солнечный зонтик, не дает планете перегреваться или даже охлаждает её. Неплохо для серы, аромат которой долгое время считали символом проклятия и приближающихся катаклизмов.
17. Хлор
Многие считают, что знакомы с запахом хлора, зачастую считая своим долгом заметить, что или водопроводная вода пахнет хлором, или вода в бассейне пахнет хлором. Тем не менее, характерный для бассейнов запах – отнюдь не запах хлора, а запах трихлорида азота (NCl3), который образуется в результате взаимодействия хлора с мочевиной. Откуда попадает в бассейн мочевина?
Во-первых, с потом – не зря перед посещением бассейна рекомендуют принимать душ, а во-вторых, скажем так – в ходе одного из социологических опросов 17 % американцев признались, что у них был случай, когда они «спутали» бассейн с туалетом. Хлор способен отравлять не только микроорганизмы, но и живые формы большего размера, и 22 апреля 1915 года будущий лауреат Нобелевской премии по химии Фриц Габер, о котором говорилось в главе про азот, испытал на западном фронте Великой войны новый тип оружия – удушливые газы смертельного действия, а дебютировал в этой незавидной роли опять же хлор.
Элементный хлор при комнатной температуре представляет собой газ жёлто-зелёного цвета. Название, предложенное Хэмфри Дэви, было из-за цвета («хлорос» на древнегреческом означает «цвет молодой листвы» или просто «жёлто-зеленый»). Заметим, что до газобалонной атаки слово «хлор» не имело ярко выраженной негативной коннотации, скорее наоборот – было символом обновления. Так, например, у моего земляка, поэта Гавриила Романовича Державина есть стихотворение «Ода к царевичу Хлору»:
Впервые хлор был получен в 1774 году Карлом Вильгельмом Шееле в результате реакции соляной кислоты с диоксидом марганца, носам Шееле не смог правильно интерпретировать полученные результаты, считая, что получил не простое вещество, а соединение, содержащее кислород. Именно Дэви, воспроизведя эксперименты Шееле в 1810 году, сделал вывод о том, что получил его коллега и назвал элемент.
Хлор, как и фтор относится к галогенам – крайне активным неметаллам, и, конечно, не встречается на Земле в свободном виде, только в виде соединений. Основные минералы, в которые входит хлор – каменная соль (NaCl), сильвинит (KCl) и карналлит (KCl.MgCl2.6H2O). В школе на уроках химии хлор является единственным химическим элементом, для которого учителя химии рекомендуют использовать нецелочисленное значение атомной массы – 35.5 а.е.м. Это объясняется тем, что хлор в земной коре состоит из двух изотопов – на 75 % из 35Cl и на 25 % из 37Cl, масса которых при усреднении и дает значение 35.5 (строго говоря, как составитель большого количества химических задач олимпиадного уровня я бы советовал и для многих других элементов использовать значения атомных масс, округлённые до десятых).
Большая часть хлора, производимая в настоящее время, используется синтетической органической химии – в превращениях с участием органических соединений хлор может принимать участие в реакциях, относящихся к трём основным механизмам.
Во-первых, это свободно-радикальное замещение – реакция, в ходе которой молекула хлора распадется на два радикала (чаще всего в результате фотохимической активации) и в результате всех превращений из основных компонентов нефти и природного газа – насыщенных углеводородов, получаются хлорпроизводные и хлороводород (который тоже находит своё применение).
Второй тип реакций хлора с органическими веществами – электрофильное присоединение хлора к двойным или тройным связям. Хлор, будучи электроотрицательным элементом, стремится туда, где много электронов (электрофильный – любящий электроны), а двойные и тройные связи богаты электронной плотностью. В результате присоединения тройная связь углеводорода превращается в двойную, а двойная – в одинарную, и образуется две новых связи углерод-хлор. Чаще всего присоединение хлора к кратным связям проводят в темноте, чтобы идущий на свету процесс замещения не добавлял побочных продуктов.
Третий тип реакции электрофильное замещение, протекающее при взаимодействии хлора с ароматическими углеводородами (также непосредственно встречающимися в составе нефти). В результате процесса, известного, как реакция Фриделя-Крафтса, получаются хлорпроизводные ароматических углеводородов и опять же хлороводород. Катализатором этой реакции являются хлорид алюминия или хлорид трехвалентного железа.
Области применения хлора многочисленны. Сотни и тысячи тонн хлора используют в целлюлозно-бумажном производстве, для получения хлорированных полимеров (наиболее известный из которых поливинилхлорид – ПВХ) и для получения органических растворителей – хлороформа, дихлорметана и дихлорэтана. Чуть меньшее количество хлора идет на получение красителей, лекарств, антисептиков и даже спичек и фейерверков. Луи Бертолле предложил применять в качестве окислителя пиротехнических составов хлорат калия (KClO3), который мы сейчас называем «бертолетовой солью». В настоящее время и в пиротехнических составах, и для изготовления спичек применяют менее опасный и более богатый кислородом перхлорат (KClO4), он же применялся как окислитель в разгонных реактивных двигателях американских шаттлов.
Ну и, конечно, наиболее известное применение хлора – отбеливающие и дезинфицирующие составы, а также обеззараживание питьевой воды и воды для закрытых и открытых бассейнов. Хлорировать питьевую воду начали в Лондоне после эпидемии холеры 1850 года. Тогда английский врач и основатель учения о гигиене Джон Сноу выяснил, что эпицентром заболевания является колодец в лондонском районе Сохо, воду в колодце обработали хлорной известью, и эпидемия пошла на убыль. Джон Сноу известен доведением до ума способа практического применения ещё одного производного хлора – хлороформа (CHCl3). С помощью хлороформа и разработанного лично им ингалятора Сноу провел обезболивание родов хлороформом королеве Англии Виктории в 1853 и в 1857 годах.
Соединения хлора также применялись для изготовления аэрозольных баллончиков и холодильников. Пропеллантом («выталкивателем») вещества из баллона и хладагентом в системе холодильника выступали хлорфторуглеводороды, также известные как фреоны. Однако в 1974 году Марио Молина, Шервуд Роулэнд и Поль Крутцен показали, что продукты превращений фреонов в атмосфере, в первую очередь – радикалы хлора могут способствовать разрушению озонового слоя. В 1995 году Молина, Роуленд и Крутцен получили Нобелевскую премию по химии, а раньше этого, с января 1989 года начал действовать Монреальский протокол, запрещающий производство ряда хлорфторуглеводородов. С момента начала действия протокола прошло почти двадцать лет, и озоновый слой в приполярных регионах действительно начал восстанавливаться, однако, как показывают результаты исследований 2018 года, озоновый слой над крупными годами в умеренном и тропическом поясах не восстанавливается, а кое-где даже продолжает разрушаться, что, очевидно говорит о необходимости искать других виновных в образовании озоновых дыр помимо радикалов хлора.