Сколько реальной науки в любимом сериале?
В заслужившем всеобщее признание сериале “Во все тяжкие” основной сюжет крутится вокруг химических опытов, реакций и веществ. Главные герои - школьный учитель Уолтер Уайт и его бывший ученик Джесси Пинкман оказываются в тяжелых жизненных ситуациях. Не в состоянии справиться с ними, они решают пуститься «во все тяжкие» и использовать всю мощь своих знаний для улучшения собственного благосостояния. Но насколько всё, показанное в сериале, достоверно с точки зрения науки и реальных лабораторных испытаний? Сегодня поговорим о плавиковой кислоте и её возможностях. Она является самым любимым способом устранения улик органической природы в сериале. Это очень интересное химическое вещество активно используется, например, в современной наноэлектронике при производстве процессоров, транзисторов и других твердотельных кремниевых устройств.
В одном из эпизодов сериала герои использовали плавиковую кислоту, чтобы замести следы преступления. С помощью всего нескольких галлонов фтороводорода - второе название плавиковой кислоты - им удалось растворить тело человека, расплавить ванну и пол за несколько часов. К сожалению или к счастью, в реальной жизни такое повторить почти невозможно. Плавиковая кислота (химическая формула HF) считается слабой, и эффекта, показанного в сериале, можно достичь только с помощью добавления других химических реагентов. Однако работать с этой кислотой следует очень осторожно, так как она принадлежит к первому классу опасности: всего одна её капля при попадании на кожу вызывает сильнейшие ожоги. Но, обо всем по порядку.
Кто вообще такие кислоты?
Разберемся подробнее, что из себя представляют кислоты в общем и плавиковая в частности. Кислоты* – химические вещества, содержащие атом водорода Н и так называемый кислотный остаток. В качестве кислотного остатка могут выступать как атомы отдельных химических элементов (HCl, HBr, HF и др.), так и группы атомов (H2SO4, HIO3 и др.). Признак, по которому химические соединения относят к кислотам – это их способность предоставлять протоны частицам растворителя при растворении.
Кислоты – вещества, являющиеся донорами H+ в процессе растворения.
Отметим, что другой класс веществ – основания – являются акцепторами протонов при растворении.
Таким образом, по главному отличительному признаку кислот их условно делят на «сильные» и «слабые». Это абстрактная величина характеризует насколько легко та или иная кислота отдает свои протоны молекулам данного растворителя. Классификация кислот и оснований на «сильные» и «слабые», надо сказать, устарела. Во второй половине XX века Джон Бокрис предложил новую (для своего времени) классификацию, основанную не на поведении веществ в растворе, а на их внутреннем строении. Так, например, водный раствор хлорида натрия (поваренной соли) считается сильным, а спиртовой раствор той же соли слабым. Пользоваться такой системой, естественно, неудобно, но это совсем другая история.
Вспомним нашего главного героя. Плавиковая кислота является, по классификации Бокриса, потенциальным* электролитом, и, по старой классификации, слабым (здесь уместно говорить об этом, так как раствор HF – слабый в любом растворителе). Значит, HF тяжело расстается со своими протонами и неохотно диссоциирует на ионы в растворе.
Потенциальный электролит – вещество, связь между частицами которого полярная, но не ионная. При попадании в растворитель оно вначале полностью растворяется, а после этого его молекулы «разрываются» на ионы молекулами растворителя.
Фтор F – элемент из семейства галогенов наряду с хлором Cl, йодом I, бромом Br и далее по группе в периодической системе. Все кислоты, образованные атомами названных галогенов, являются также потенциальными электролитами и, по совместительству, сильными во всех растворителях. Всех, кроме кислоты, образованной фтором.
Почему HF отличается от всех других кислот своего семейства?
Дело в том, что между атомом водорода и фтора двух соседних молекул HF имеет место водородная связь*.
Водородная связь – легкая ковалентная связь между атомом водорода и другим сильно электроотрицательным атомом (N, O или F).
Эта связь имеет электрическую природу и возникает всякий раз между атомом водорода и другим сильно электроотрицательным* атомом.
Электроотрицательность – способность атома притягивать электронную плотность.
Именно поэтому, хоть F и галоген, но из-за экстремально высокого значения электроотрицательности, между молекулами плавиковой кислоты возникают легкие ковалентные связи (водородные), которые как пружинки удерживают молекулы вместе и не позволяют кислоте хорошо растворяться в воде или других растворителях.
Почему она столь опасна, если является слабой?
Хотя плавиковую кислоту и считают «слабой», тем не менее, она агрессивна и способна сама растворять и вступать в реакции со многими веществами. Одно из уникальных и важнейших свойств, определивших её производственное применение - она взаимодействует с диоксидом кремния SiO2. Диоксид кремния – материал, предстающий перед нами в совершенно разных обличиях: песок, кварц, кварцевое стекло или обыкновенное стекло. При реакциях стекол с другими кислотами механизм взаимодействия - кислотный, а в реакциях, протекающих с участием плавиковой кислоты, замещение кислорода в SiO2 происходит ионом фтора F, который ещё более сильный окислитель, чем кислород. Так, стекло растворяется под действием HF. Вот почему плавиковую кислоту нельзя хранить в стеклянной посуде.
Во всем мире плавиковая кислота обширно используют в микро и наноэлектронике. С её помощью производят процессоры, матрицы для ЖК экранов и фотоаппаратов, твердотельные накопители и многое другое в «кремниевой технологии». В процессе создания этих изделий имеет место этап, во время которого необходимо удалить слой диоксида кремния с поверхности кремния. Причем, важно, удаляя слой оксида, не повредить подложку из кремния. Фтороводород травит оксид, при этом никак не реагирует с подложкой, даже не смачивает её, оставаясь цельной каплей на поверхности.
А что с растворением других веществ? В чем нас обманули сценаристы?
Данная кислота реагирует с большинством металлов, образуя соли – фториды, но этот реактив любых концентраций не способен растворить свинец, платину, золото и палладий. К воздействию фтороводорода так же устойчивы фторопласт, полиэтилен и другие пластмассы, а также древесина.
Плоть эта кислота способна окислить и растворить примерно за восемь часов, однако полного растворения не произойдет. В сериале же кислота полностью растворила тело, ванну и пол всего за несколько часов, что противоречит реальности. Для получения хотя бы приблизительно схожего эффекта, показанного в сериале, потребуется взять примерно 90 литров плавиковой кислоты, при этом смешать её с 45 литрами особой добавки, являющейся катализатором. Плоть состоит из углеводородов, поэтому, при добавлении катализатора, моментально произойдет бурная химическая реакция. При этом будет выделяться большое количество тепла и газов в виде огромного облака пара, состоящего из углекислого газа и водорода. Ванну и пол кислота растворить не сможет, а после завершения реакции на дне останется только углерод, сера и черная жижа.
Простим, однако, сценаристов «Во все тяжкие», ведь химия хоть и стала центром развития сюжета сериала, но не является его главной идеей. Эволюция персонажа Брайана Крэнстона из добродушного учителя химии в беспрецедентного наркобарона и криминального гения стала громкой сенсацией в мире телевидения и до сих пор не имеет аналогов. Нам остается только благодарить авторов сериала за то, что они прививают любовь к науке и химии, ведь если бы не они, не было бы и этой статьи.
АВТОРЫ СТАТЬИ:
Паруйр Мелконян и Оля Новикова - студенты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого