Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №16/2006

УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15/2006

Рассказы по химии

Рассказы о реакциях

Фотосинтез

Как вы думаете, какая химическая реакция самая важная на Земле? Пожалуй, вопрос некорректен. Ведь существуют сотни и тысячи химических превращений, без которых невозможно было бы ни получение современных материалов, ни развитие электроники, ни само существование жизни на Земле. Ведь любой живой организм – это сложнейший природный «химический комбинат», работа которого по превращению одних веществ в другие не прекращается ни на секунду.

И все-таки химики и биологи из несметного числа химических реакций выделяют одну, без которой наша прекрасная планета была бы серой безжизненной пустыней. Эта реакция называется фотосинтезом.

Фотосинтез – это уникальный процесс, протекающий на Земле в листьях зеленых растений и в клетках некоторых бактерий. Уравнение соответствующей химической реакции, изображенное не формулами, а словами, вам уже известно и не кажется слишком сложным (рис. 121):

углекислый газ + вода глюкоза + кислород.

Глюкоза – это углевод. В растениях она превращается в другие углеводы – крахмал, целлюлозу, а также в органические вещества других классов.

Рис. 121. Схема фотосинтеза
Рис. 121.
Схема фотосинтеза

И все-таки фотосинтез – это уникальный и чрезвычайно сложный процесс. Во-первых, он протекает только при освещении, причем наилучшим образом для него подходит солнечный свет. Во-вторых, фотосинтез протекает при участии сложного органического вещества – хлорофилла. Это как раз то вещество, которое придает растениям зеленый цвет. В-третьих, процесс фотосинтеза – своеобразный преобразователь и аккумулятор энергии. Лучистая энергия Солнца преобразуется в энергию химических связей, которая затем используется всеми живыми организмами для обеспечения жизненных процессов. Аналогично вы подзаряжаете аккумулятор-батарейку от сети, а потом за счет запасенной энергии работает фотоаппарат, переключает каналы пульт телевизора, играет плейер, ездит игрушечный автомобиль.

Недаром леса называют легкими планеты: они восполняют убыль кислорода в атмосфере. Но оказывается, наравне с деревьями, кустарниками и травами над поглощением углекислого газа и выделением кислорода трудятся и растения Мирового океана – водоросли. Несмотря на то, что они используют только 0,1% падающей на поверхность Земли солнечной энергии, кислорода производят почти в 10 раз больше наземных растений!

Тем не менее кислорода в воздухе становится все меньше и меньше. Сокращение площадей, занятых лесами, и рост промышленного производства приводят к тому, что ежегодно кислорода продуцируется на 10 млрд т меньше, чем расходуется. Один реактивный самолет за 2 ч полета потребляет столько кислорода, сколько его производят деревья на площади 2 га за целый год! Остановить технический прогресс невозможно, на лошадей современного пассажира не пересадишь, а вот сохранять природу и преумножать ее богатства человек не только может, но и обязан.

Климент Аркадьевич Тимирязев
Климент Аркадьевич
Тимирязев

Роль фотосинтеза на Земле трудно переоценить. Выдающийся русский ученый К.А.Тимирязев, внесший большой вклад в изучение фотосинтеза, писал: «Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете».

В процессе фотосинтеза неорганические вещества (углекислый газ и вода) превращаются в органические: глюкозу, другие углеводы и далее аминокислоты, жиры, белки. В результате этого процесса ежегодно на Земле образуется 150 млрд т органических веществ.

Зеленые растения каждый год поглощают из воздуха 300 млрд т углекислого газа, попадающего в атмосферу в результате процессов дыхания, горения и производственной деятельности человека. Не будь этого, содержание СО2 постепенно увеличилось бы до критического значения, и воздух стал бы непригоден для дыхания человека и животных. Кроме того, увеличение концентрации углекислого газа привело бы к потеплению климата на планете.

Важно отметить, что фотосинтез – единственный источник кислорода в атмосфере Земли (рис. 122). Благодаря первым зеленым растениям миллиарды лет назад в атмосфере планеты появился кислород.

Рис. 122. Вы сегодня сказали дереву «спасибо»? Каждый день зеленые насаждения отдают в атмосферу полмиллиарда тонн кислорода, необходимого для вашего дыхания

Рис. 122.
Вы сегодня сказали дереву «спасибо»?
Каждый день зеленые насаждения отдают
в атмосферу полмиллиарда тонн кислорода,
необходимого для вашего дыхания

Под действием солнечного излучения часть кислорода в верхних воздушных слоях превращается в озон, а озоновый щит, как вы знаете, предохраняет Землю от вредных ультрафиолетовых лучей «звезды по имени Солнце».

До сих пор ученым не удалось осуществить в полном объеме процесс фотосинтеза вне живой клетки, в пробирке. Несмотря на то, что солнечная энергия кажется неисчерпаемой и бесплатной, запасти и накопить ее оказывается очень дорого. Лорд Дж.Портер – лауреат Нобелевской премии за изучение сверхбыстрых реакций (в том числе фотосинтеза) – писал: «Фотосинтез – это великий и, пожалуй, самый великий вызов природы, обращенный к современной фотохимии, а возможно, и ко всей химии».

Таким образом, фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах. Растения, используя солнечную энергию, в гигантских масштабах производят органические вещества и определяют в конечном итоге всю сложность и многообразие жизни на Земле. Человечество все более осознает истину, впервые обоснованную русскими учеными К.А.Тимирязевым и В.И.Вернадским: экологическое благополучие планеты и само существование человечества зависит от состояния растительного покрова Земли.

Реакция горения

Это, очевидно, самая поэтичная, воспетая в красивых легендах и мифах, самая загадочная и значимая для истории человечества реакция. Вспомните хотя бы изумительный миф древних греков о Прометее, который подарил небесный огонь людям. Прометей был за это жестоко наказан богами: его приковали к скале. Каждый день к скале прилетал орел и клевал печень Прометея, доставляя ему страшные мучения (рис. 123).

Рис. 123. П.Козимо. Легенда о Прометее

Рис. 123.
П.Козимо.
Легенда о Прометее

У первобытных людей огонь охранялся как самое дорогое достояние племени, ему поклонялись, за него боролись. Возможно, кто-то из вас читал прекрасную книгу о жизни первобытных людей Жозефа Рони-старшего, которая так и называется «Борьба за огонь».

Вот мы и определили важнейший признак реакций горения – появление огня, или пламени, которые являются результатом взаимодействия горящих предметов (веществ и материалов) с кислородом воздуха (рис. 124).

Рис. 124. Появление пламени – один из признаков реакции горения
Рис. 124.
Появление пламени –
один из признаков реакции горения

Реакции горения – это великие реакции, которые преданно служат человеку: обогревают его, помогают готовить пищу, варить стекло, чугун и сталь, резать и сваривать металл, заставляют двигаться автомобили, тепловозы и теплоходы, космическую и военную технику, дарят наслаждение от салютов и фейерверков (рис. 125).

Рис. 125. «Мирные профессии» реакции горения

Рис. 125.
«Мирные профессии» реакции горения

Однако реакции горения – это и величайшие беды, которые обрушиваются на человека в результате многочисленных пожаров, в которых сгорают дома, гибнут леса и поля, полыхают емкости с нефтью и газом и т.д. Чаще всего эти беды связаны с неумелым, безграмотным и безответственным обращением людей с огнем.

Кислород, как вы знаете, по-латински называется oxigenium, поэтому реакции с его участием относятся к реакциям окисления.

Реакции горения – это энергичные, быстро протекающие реакции окисления, идущие с выделением света и теплоты. Однако есть реакции окисления, которые идут медленно и не сопровождаются выделением света. Они так и называются: реакции медленного окисления. Теплота при этом выделяется постепенно, но может накапливаться и играть немаловажную роль в жизни природы и человека.

Так, некоторые дикие куры (их называют сорными) откладывают яйца в кучу медленно окисляющихся, гниющих остатков растений и сора. Тепла, которое образуется при медленном окислении мусора, достаточно для развития зародышей без насиживания. Аналогично поступают и некоторые пресмыкающиеся.

А вот теплота, которая накапливается при медленном окислении влажной пшеницы, загруженной в элеватор, наоборот, убивает зародыши растения, и поэтому зерно теряет всхожесть.

На дачных участках с помощью реакции медленного окисления различный мусор и органические остатки превращают в специальных кучах в прекрасное удобрение – компост.

Мы рассмотрели реакции медленного окисления, которые происходят вокруг нас. Но, оказывается, и внутри нас беспрерывно идут аналогичные реакции, которые являются результатом дыхания. При этом в клетки живых организмов поступает кислород и питательные вещества, которые взаимодействуют друг с другом с образованием столь необходимой для жизнедеятельности энергии. Однако эта энергия выделяется не сразу, а постепенно, дозировано, по строго запрограммированному процессу окисления.

Коррозия

Немало неприятностей приносит химический процесс, который называется коррозия (от лат. сorrodere – разъедать).

Коррозией называется самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате их взаимодействия с веществами окружающей среды.

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа и его сплавов. Коррозию железа называют даже особым термином – ржавление. «Ржа ест железо», – гласит русская поговорка. У поэта В.Шефнера есть очень образные строки:

Коррозия – рыжая крыса –
Грызет металлический лом.

Ежегодно из-за коррозии превращается в труху четвертая часть всего производимого в мире металла (рис. 126). Однако помимо прямого ущерба от коррозии гораздо дороже обходятся косвенные убытки. Затраты на ремонт или замену деталей машин, агрегатов, аппаратуры химических производств, трубопроводов во много раз превышают стоимость металла, из которого они изготовлены.

Рис. 126. Коррозия наносит ощутимый экономический ущерб
Рис. 126.
Коррозия наносит
ощутимый экономический ущерб

Коррозия вызывает серьезные экологические катастрофы. Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно воздействует на здоровье и жизнь людей. Понятно, почему на защиту металлов от коррозии тратятся огромные средства.

Коррозию металлов и сплавов вызывают такие компоненты окружающей среды, как вода, кислород, оксиды углерода и серы, присутствующие в воздухе, а также соли, растворенные в грунтовых водах, воде морей и океанов.

Существует много способов борьбы с коррозией, например, следующие.

Нанесение защитных покрытий на поверхность металлического изделия. Процесс нанесения может быть физическим: окраска металла лаками, красками, эмалями. Однако такие защитные пленки недолговечны. Знаменитую Эйфелеву башню в Париже красили уже 18 раз, в результате чего ее масса увеличилась на 70 т (рис. 127).

Рис. 127. Эйфелева башня
Рис. 127.
Эйфелева башня

Более стойки химические покрытия. Так, предохраняемый металл можно покрыть слоем другого металла, менее подверженного коррозии: золота, серебра, хрома, никеля, олова, цинка и др. Один из самых старых способов, лужение – это покрытие железного листа слоем олова. Такое железо называют белой жестью, его используют, например, при изготовлении металлических банок для консервирования продуктов.

Можно уменьшить коррозию железа, добавляя в расплав специальные добавки – металлы: никель, хром, молибден. Так получают нержавеющую сталь. Например, «нержавейка», из которой изготавливают столовые приборы, содержит до 12% хрома и до 10% никеля. Легкие нержавеющие сплавы содержат в качестве добавок алюминий или титан. Из листов нержавеющей стали создана знаменитая скульптура В.И.Мухиной «Рабочий и колхозница» (рис. 128).

Рис. 128. Скульптурная композиция «Рабочий и колхозница» В.И.Мухиной изготовлена из нержавеющей стали

Рис. 128.
Скульптурная композиция
«Рабочий и колхозница» В.И.Мухиной
изготовлена из нержавеющей стали

Другой подход к предупреждению коррозии заключается в изменении свойств не самого металла, а окружающей его среды. Химики предложили десятки веществ, введение которых в соприкасающуюся с металлом агрессивную среду в сотни и тысячи раз «тормозит» разрушение металла. Такие вещества называют ингибиторами коррозии. Ингибиторы коррозии добавляют в охлаждающие жидкости (например, автомобильный тосол), смазочные масла, нефтепродукты и даже впрыскивают в газопроводы для снижения коррозии труб изнутри.