Химический Театр

ПОЧЕМУ СОЛЬ РАСТВОРЯЕТСЯ В ВОДЕ, А ЖИР В БЕНЗИНЕ? У алхимиков было две главных задачи – отыскать философский камень, с помощью которого можно было бы превращать в золото другие металлы, и найти универсальный растворитель, который растворял бы все, что нужно было растворить. Ближе всего из имеющихся в природе веществ к универсальному растворителю – обычная вода с ее необычными свойствами. Она способна растворить очень многие вещества, но конечно не все. Если на вашей одежде оказалось жирное пятно – пытаться смыть его водой бесполезно. Скорее, тут поможет бензин (или чистый бензол). Вспомним правило алхимиков: «Подобное растворяется в подобном». В чем же молекула жира подобна молекуле бензола? Здесь главное похожее свойство – полярность (точнее, отсутствие полярности) молекулы. Когда атомы «чувствуют», что объединиться в молекулу им будет гораздо выгоднее, чем прозябать в одиночку, они используют для этого объединения, то есть, образования химической связи, электроны. В зависимости от того, насколько похож на тебя тот атом, с которым ты хочешь образовать молекулу, эти самые электроны, ставшие общими, могут расположиться между вами двумя симметрично или сдвинуться в сторону какого-то одного, более сильного (химики говорят, более электроотрицательного) атома. В первом случае внутри молекулы нет области с избытком или недостатком отрицательного заряда, нет положительного и отрицательного полюсов, значит – она неполярна. И жидкость, которая состоит из этих молекул, тоже неполярна. В молекуле воды две химические связи: между кислородом и каждым из водородов. Каждая связь – это пара электронов, которые стали общими. Обе эти пары сдвинуты ближе к кислороду. Возле кислорода внутри молекулы отрицательный полюс, в противоположном конце, где находятся атомы водорода – положительный. Поэтому вода – это полярный растворитель, она растворяет те вещества, внутри которых есть собственные плюсы и минусы, области с избытком или недостатком электронной плотности. Самое знакомое из таких веществ – поваренная соль. Кристаллик соли состоит из положительно заряженных ионов натрия, окруженных отрицательными ионами хлора. А как устроена молекула мыла? Химики говорят, что она бифильна: она «любит» и полярные и неполярные вещества, потому что в ней самой есть полярная и неполярная часть. Неполярными хвостиками молекулы мыла располагаются в сторону кусочка жирного пятна, полярными головками – в сторону воды. После того, как эти молекулы облепили со всех сторон кусочек жира, они выталкивают его на поверхность. Интересные вопросы для самопроверки: Какой растворитель вы бы выбрали, чтобы убрать с одежды пятно от краски? Почему жизнь на нашей планете зародилась в воде? Почему мыло и другие моющие средства называют «поверхностно- активными веществами»?

ИНДИКАТОРЫ В САДУ И В КАСТРЮЛЕ Вокруг нас много самых привычных веществ, которые подсказывают нам, с какой средой водного раствора мы имеем дело. Вспомните, если в крепкий чай коричневого цвета добавить лимон – цвет чая сразу становится более светлым. Попробуйте забыть в конце приготовления борща добавить в него уксуса (или того же лимона) – борщ получится некрасивого бурого цвета. Добавляем две – три ложки уксуса, и наш борщ приобретает яркий бордовый цвет. Вещества, которые меняют цвет с изменением рН раствора, называются индикаторами от английского глагола indicate – указывать (в наших примерах индикаторами являются свекольный сок и раствор чая) Ботаники подскажут, что многие растения – это природные индикаторы. Так, ярко-синий лепесток ириса станет красным в кислой среде и зеленоватым в щелочной. Кислотность почвы можно определить по тому, какие растения на ней преобладают сильнокислая близкая к нейтральной щелочная Более удобны для использования синтетические индикаторы. Вам конечно приходилось видеть универсальную индикаторную бумагу – желтого цвета узкие полоски, пропитанные смесью индикаторов, которые подобраны так, чтобы постепенно менять окраску, проходя через все цвета радуги. На футляре присутствует эталонная цветная школа. Капните на полоску исследуемый раствор, поднесите ее к шкале, и она вам подскажет рН вашего раствора. В любом школьном кабинете химии вы найдете три индикатора – лакмус, метиловый оранжевый (или просто метилоранж) и фенолфталеин. У каждого из них хорошо получается указывать какую-то одну область рН водного раствора. Если у вас есть подозрение, что ваш раствор щелочной – воспользуйтесь фенолфталеином. Кислую среду уверенно подтвердит лакмус. В отличие от синтетических метилоранжа и фенолфталеина, лакмус - растительного происхождения. Еще триста лет назад аптекари получали его из цветов гелиотропа, позднее нашли более дешевое сырье – некоторые виды лишайников. Химико-биологический термин «лакмус» мы иногда используем в переносном смысле, например, когда говорим: «Поведение ученика на экзамене – это лакмусовая бумажка его умения быть выдержанным» Интересные вопросы для самопроверки: Могут ли кислотные дожди быть «более кислотными» и «менее кислотными»? Можно ли кислотность кислотного дождя охарактеризовать числом? Можешь ли ты предсказать, в какой области находится рН мыльного раствора? Ты, наверное, замечал, что некоторые цветы в течение лета меняют свою окраску. Что может быть причиной такого изменения?

ЗНАТЬ PH СРЕДЫ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ОЧЕНЬ ВАЖНО! Наш организм – сложная и хорошо отлаженная химическая система, в которой каждая часть работает эффективно только в определенном интервале рН. В желудке, например, должна быть повышенная концентрация катионов водорода, то есть, кислая среда с рН значительно меньшим семи. В такой среде огромные молекулы съеденного вами за завтраком белка будут расщепляться на маленькие кусочки отдельных аминокислот (из них потом организм выстроит собственные белки). А вот жиры (за завтраком был ведь еще бутерброд со сливочным маслом) доходят невредимыми до кишечника, и там для расщепления им нужна щелочная среда (значение рН больше семи). К счастью, наш организм сам умеет поддерживать нужные значения рН с помощью имеющихся в нем буферных растворов (англ. вuff – смягчать толчки) Задача буферных растворов в живом организме – смягчать удары попадающих в организм посторонних кислотных или щелочных растворов, подбрасывая нужное количество ионов Н + или ОН-, чтобы довести рН до оптимального значения Почему диетологи считают, что завершать обед стаканом чая или компота не следует? В химической лаборатории всегда найдется ступка и пестик: чтобы твердое вещество эффективнее вступало в реакцию, его надо измельчить. Что выполняет роль ступки и пестика в организме человека? После проведения анализа желудочного сока одному пациенту поставили диагноз «повышенная кислотность», другому «пониженная кислотность». У кого из них значение рН выше?

РАСТВОРЫ Кислый, нейтральный … - какой еще? Что это за загадочный пэ-аш (рН), с которым иногда приходится сталкиваться в рекламных объявлениях? Речь идет о свойствах водных растворов. Лучшая характеристика чистой воды – она «никакая». Не кислая, не соленая и уж конечно не горькая. Кроме того, «наощупь» она не должна быть мылкой. Это означает, что кроме тех частиц, из которых состоит сама молекула воды (это частицы H + - положительно заряженный ион водорода или катион водорода, ответственный за кислотные свойства, - и ОН - - группа атомов с общим отрицательным зарядом, анион гидроксильной группы, который как раз и придает свойство мылкости и делает его, как говорят химики, щелочным) – в воде больше нет никаких посторонних частиц. Но даже и этих частиц, во- первых, поровну, а во -вторых – чрезвычайно мало. Их одинаковые концентрации выражаются очень маленьким числом – 10 -7 моль в одном литре. (Моль – это величина, которую химики всего мира используют для измерения количества самогО вещества или частиц, из которых оно состоит). А мало катионов и анионов в воде потому, что в основном она состоит из нераспавшихся на ионы молекул. Просто Н 2 О. Понятно, что произведение концентраций катионов и анионов в чистой воде – это постоянная величина, равная 10 -14 моль 2 /л 2 . Это так называемое ионное произведение воды Пользоваться числом, в котором перед значащей цифрой стоит шесть нулей, неудобно. Поэтому используют просто показатель степени, да еще умножают его на -1. (Положительные числа людям всегда нравились больше). Это число и назвали рН (пэ-аш). Итак, если химик хочет сказать, что в данном растворе «среда нейтральная», то есть, катионов водорода и анионов гидроксильной группы поровну, он просто приводит это самое значение показателя степени концентрации ионов водорода, и говорит, что рН раствора равен семи. Само собой разумеется, что концентрация гидроксильной группы в этом случае такая же, то есть, значение рОН тоже равно семи. Но вот в чистую воду добавили кислоты, в нее попали посторонние катионы водорода. Общее значение их концентрации стало больше, а значение рН – меньше. В следующем посте рассмотрим почему знать рН среды водных растворов очень важно.

ПОЛИМЕРЫ ЛЕПИТ ПРИРОДА Для того, чтобы изобрести что-то новое, надо в первую очередь быть наблюдательным, уметь внимательно и с интересом смотреть вокруг.  Среди матросов, которые вместе с Колумбом триста лет назад приплыли на американский континент, такой наблюдательный человек точно был. Вернувшись домой, он рассказал, что аборигены племени гаучо играют предметом, который отскакивает от земли. Это была первая встреча европейцев с натуральным каучуком и его необычным свойством упругости и эластичности. Прошло немало времени, пока европейцы определили строение полимерной молекулы натурального каучука и научились проводить реакцию полимеризации в химических лабораториях. Представляете, как «комфортно» было 200 лет назад ездить по тогдашним негладким дорогам на деревянных колесах, ведь упругих резиновых шин еще не было! «Целые шесть дней тащился я по несносной дороге и приехал в Петербург полумертвый» - Пушкину можно посочувствовать… Каучук – не единственный полимер, созданный природой. В любом живом организме биологические, то есть созданные природой полимеры – основной материал. Один из видов природных полимеров – полисахариды. Так непохожие по физическим свойствам крахмал и целлюлоза – это полисахариды. Мономерное звено у них одинаковое, и тот, и другой полисахарид выстраивается из одинаковых кирпичиков – молекул моносахарида глюкозы.  Как же из одинаковых «кирпичей» получились такие разные «здания»? Дело в том, что молекула глюкозы содержит много потенциальных реакционных центров, как говорят химики, функциональных (то есть, готовых действовать, вступать в химические реакции) групп. А природа, как мы помним – прекрасный химик с большой фантазией. В следующем посте рассмотрим подробнее, чем отличается химическое строение крахмала и целлюлозы

МОЛЕКУЛЫ БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ Что такое полимеры и зачем они нужны Поли – в переводе означает «много». Чего же в полимерах много? Мономерных звеньев. Огромная молекула полимера состоит из небольшой группы атомов, образующих мономерное звено, которое монотонно повторяется сотни и тысячи раз. Такое количественное изменение приводит к совершенно новым свойствам, достаточно сравнить газ этилен и твердый прочный полиэтилен. Полимеры этой группы с похожими свойствами называются пластиками. Сюда же относятся полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, из которого делают оконные рамы. (Тип пластика обычно указывают в маркировке: ПП, ПС, ПВХ)  В процессе реакции полимеризации очень активные молекулы этилена присоединились друг к другу и исчерпали свою способность вступать в какую-либо химическую реакцию. Это хорошо – полиэтилен химически инертен, а значит, безвреден для организма, поэтому из него делают упаковочный материал для продуктов и даже одноразовую посуду. Но химическая инертность привела к тому, что на земле и даже в океане скопились огромные количества пластиковых отходов Существует группа полимеров с совершенно особенными свойствами: они эластичны. Это каучуки. Полоску каучука можно растянуть в несколько раз, а после снятия нагрузки она вернется в исходное состояние, поэтому воздушные шарики делают именно из такого материала. Мономерное звено таких материалов потратило на реакцию полимеризации только часть своей реакционной способности. Поэтому с каучуками возможны дальнейшие превращения. Самое важное – реакция с обычной серой, в результате которой каучук превращается в резину (этот процесс называется вулканизацией), а резина в дальнейшем – в автомобильные шины. Регулируя условия реакции вулканизации, можно варьировать свойства резины. Поэтому для автомобилистов в нашем климате, где жарко летом и холодно зимой, изготавливают летние и зимние шины. А теперь подумай: Какое слово в ряду лишнее и почему: мономер – монорельс – монотонный – манускрипт Металл – пластичность; каучук – эластичность; пластик -? Дополни последнюю пару Перечисли предметы из пластика в твоем ранце.