Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 7)

8. Кислород

Первая революция на нашей планете началась очень давно, а её плодами мы пользуемся до сих пор, точнее, она создала нас с вами.

На рубеже архея и протерозоя 2,2–2,6 миллиарда лет назад произошло глобальное изменение состава атмосферы Земли, которое называют «Великим кислородным событием» или «Кислородной революцией». 2,8 миллиарда лет назад появились цианобактерии, которые освоили новый способ преобразования солнечной энергии в химическую – активируемую солнечным светом комбинацию углекислого газа и воды, побочным продуктом которой был кислород (фотосинтез, то есть превращение солнечной энергии в химическую, существовал и ранее, но в фотосинтетических процессах, свойственных более эволюционно древним организмам, кислород не выделялся). Выделяющийся при фотосинтезе цианобактерий кислород, токсичный для многих организмов той эпохи, стал менять ландшафт нашей планеты – окислять восстанавливающие компоненты атмосферы и земной коры. В какой-то момент содержание кислорода в атмосфере резко возросло, газовая оболочка Земли превратилась из восстанавливающей в окисляющую, простейшие организмы, для которых кислород был ядом, вымерли или оказались в бескислородных «резервациях» биосферы – анаэробных карманах. Существование больших количеств молекулярного кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя, позволившего живым организмам существенно расширить области своего обитания, и привело к распространению дающего большее количество энергии кислородного дыхания. Началась эра кислорододышащих или аэробных форм жизни, эволюция которых привела к появлению в том числе и человека.

Сейчас наша атмосфера содержит около 21% кислорода (по объёму) или 23% (по массе), но кислород не только в воздухе, которым мы дышим. Если говорить о кислороде как о химическом элементе, а не о молекуле О₂, он третий по распространённости элемент во Вселенной (после водорода и гелия) – он является основным продуктом термоядерного синтеза в массивных звёздах-гигантах. В земной коре кислород – самый распространённый элемент, земные скальные породы содержат до 46% по массе, главным образом, в форме диоксида кремния. Большая часть металлов, которые мы добываем, содержится в земной коре в форме оксидов – бокситные руды алюминия, железняки и т.д. Одно из самых важных соединений кислорода – вода, колыбель жизни, любая биологически активная молекула в нашем организме: белки, нуклеиновые кислоты, сахара и жиры – содержит кислород.

Благодаря кислороду работают не только живые системы. Кислород (и воздух, его содержащий) – самый распространённый и доступный окислитель в химической промышленности. Его применяют для окисления углеводородов в спирты, альдегиды в органические кислоты. В металлургии кислород применяется для обжига сульфидных руд и для удаления углерода из чугуна и переплавки чугуна в сталь. Кислород-ацетиленовая горелка может достигать температуры до 2000 °С и применяться как для резки, так и для сварки металлов. Использовавший в качестве топлива водород, а в качестве окислителя кислород жидкостный ракетный двигатель РД-0120 применялся в качестве двигателя второй ступени ракеты-носителя «Энергия», доставившей на орбиту советский космический корабль многоразового использования «Буран».

С пальмой первенства за открытие кислорода вопрос не менее запутанный, чем с первооткрывателем азота. Название «кислород – oxygenium» этому элементу дал позволивший химии перейти на новый уровень Антуан Лоран Лавуазье, который, собственно, и ввёл уже близкое для нас, но не окончательное понятие «химический элемент» для обозначения веществ, которые нельзя было разрушить с помощью каких-либо методов химического анализа (сейчас такие вещества называют «простыми»). До Лавуазье и появления понятия «элемент» образование кислорода наблюдали и описывали Джозеф Пристли – при разложении оксида ртути, и Карл Шееле – при разложении селитры. И Пристли, и Шееле считали, что они получили «дефлогистированный воздух» – воздух, лишённый некой первичной материи, наполняющей все горючие вещества и выделяющейся при горении. Лавуазье, конечно, известен нам тем, что отказался от флогистонной теории и разработал современную теорию горения и кислорода как газа, необходимого для горения, однако эти рассуждения можно считать просто другой (хотя и более строгой) интерпретацией открытий, сделанных ранее Кавендишем и Шееле.

И ещё одна форма молекулярного кислорода, важная для сохранения жизни на Земле, – трикислород или озон, О₃. Озон ядовит, более того, токсичность озона выше токсичности хлора, и его вдыхание (а образуется он в результате горения автомобильного топлива или при длительной работе лазерных принтеров и множительной техники) может приводить к болезням органов дыхания. Но озон, опасный для нас в тропосфере, нижней области атмосферы, защищает нас и все живое, располагаясь в стратосфере, от ультрафиолетового излучения. В последнее время многие технологии, в которых используется хлор (отбелка бумаги, дезинфекция водопроводной воды), заменяются на озоновые технологии. Да, сам по себе хлор менее опасен, чем озон, но при его применении образуются опасные и зачастую канцерогенные хлорсодержащие органические и неорганические вещества, а «химический след» озона менее опасен – это, как правило, перекись водорода, быстро разрушающаяся до воды и кислорода О₂ или кислородсодержащих органических соединений, которые хотя и тоже нельзя назвать полностью безопасными, но все же представляют не такую прямую и явную угрозу, как обладающая канцерогенностью хлорорганика.

9. Фтор

Одними из первых с соединениями фтора познакомились металлурги Европы. Уже в XV–XVI веках сначала алхимики, а потом и отец минералогии Георг Бауэр, более известный как Георгий Агрикола, описали свойства минерала, способного снижать температуру плавления руды и шлака. Они называли этот минерал «флюор» или «флюорит» (от латинского fluere – «течь»).

В России этот минерал, основной компонент которого фторид кальция (CaF₂), стал известен под названием «плавиковый шпат». Интерес к этому веществу был вполне обоснован – технология извлечения металлов из руд и получения стекла развивалась, но печи, применявшиеся в химической промышленности того времени, не могли давать температуру, достаточную для плавления многих материалов, которые хотелось использовать в качестве сырья. Естественно, можно себе представить, какое значение для металлургов того времени имел минерал, ускоряющий процесс выплавки металлов и делающий металлургический шлак более текучим (текучесть шлака нужна была для эффективности отделения металлов от отходов производства). В 1670 году флюорит раскрыл себя с новой, неожиданной стороны – художник из Нюрнберга Ганс Шванхард обнаружил, что смесь флюорита и серной кислоты, нанесённая на стекло, позволяет матировать стекло и наносить на его поверхность рисунки. В 1725 году рецептура для травления стекла изменилась – твердый флюорит и серную кислоту заменили на жидкость, образующуюся в результате реакции CaF₂ с концентрированной азотной кислотой. Так, вероятно, был впервые получен грязный раствор плавиковой кислоты. Чистую плавиковую кислоту (раствор, в котором содержались только вода и HF) в 1768 году получил Андреас Сигизмунд Маргграф – один из последних ярких химиков, придерживавшихся флогистонной теории горения, а чистый фтороводород тридцать лет спустя смогли выделить Жозеф-Луи Гей-Люссак и Луи Тенар.

С момента открытия (а может, и до открытия) плавиковая кислота разъедала не только стекло, но и здоровье, и жизни людей. Вот далеко не первая и, увы, не последняя жертва плавиковой кислоты – во время обработки окаменелостей 37-летний палеонтолог пролил себе на колени около сотни миллилитров плавиковой кислоты. Тут же он принял все меры предосторожности – промыл ноги водой из раковины в лаборатории и, ожидая приезда скорой помощи, даже погрузился в институтский бассейн, чтобы увеличить эффективность промывания. Однако через неделю после инцидента ему ампутировали ногу, а еще через неделю он скончался в больнице.

Чем же объясняется такая токсичность плавиковой кислоты при попадании на кожу? В отличие от своих других галогеноводородных кислот – соляной и бромоводородной (водные растворы HCl и HBr соответственно) – плавиковую кислоту можно отнести к слабым кислотам – в водном растворе она распадается на ионы крайне неохотно. Слабая диссоциация на ионы и крайне небольшой размер молекулы HF позволяет ей легко проникать через кожу и быстро мигрировать вглубь организма, где, наконец, и происходит её диссоциация с образованием фторид-иона. Фторид-ион F^– прочно связываются с катионами кальция и магния, превращая их в нерастворимые в воде соли, которые отлагаются в окружающих биологических тканях. Ионы кальция и магния – кофакторы многих ферментов (низкомолекулярные вещества, способствующие правильной работе белков-катализаторов). Без кофакторов ферменты, критически важные для обмена веществ, прекращают работать, клетки начинают умирать, мышечная ткань разжижаться, а костная – разрушаться. Быстрая потеря организмом ионов кальция может привести к тому, что сердечная мышца прекращает свою работу. Смертельно опасным может оказаться ожог концентрированной плавиковой кислотой, поражающий всего 2,5% поверхности тела.