0

Очень легкая химия (почти) ep 11

Сегодня речь пойдет о химической связи, её природе и теориях, описывающих её. Начать стоит с того, почему вообще возникает химическая связь. Как мы знаем, все в природе стремится к наименьшей энергии, многие атомы имеют на внешних энергетических уровнях неспаренные электроны, в таком состоянии они обладают большей энергией, так как более свободны (вырожденность электронов), следовательно образование связей в первую очередь связано с электронными эффектами и имеет электростатическую природу.


Так связи подразделяют на ионные, ковалентные и металлические, в действительности ни одна из этих связей не существует, все известные соединения имеют лишь некую долю ионности, ковалентности или металличности. Поэтому когда говорят, что связь в молекуле ковалентная, имеют ввиду её относительно высокую ковалентность. Теперь нужно разобраться с каждым видом связи по отдельности.


Ионная связь характеризуется большой разностью электроотрицательностей элементов, между которыми образуется связь, это означает, что электронная плотность между атомами сильно смещена в сторону более электроотрицательного и на нем возникает частично положительный заряд, на менее электроотрицательном атоме в свою очередь возникает частично положительный заряд и связь образуется за счет электростатических сил. Самой выраженной в природе ионной связью обладает фторид цезия, так как атомы цезия и фтора имеют самую большую разность электроотрицательностей. (По некоторым данным электроотрицательность гелия чуть выше чем у фтора, следовательно при прочих равных гелат цезия более «ионен» чем фторид).


Металлическая связь, как следует из названия присуща металлам, её особенностью является наличие свободных электронов в кристаллической решетке, что обеспечивает следующие физические свойства металлов: блеск, электропроводимость, ковкость, высокую теплопроводность, различные фотоэффекты.


Ковалентная связь образуется между атомами элементов, с небольшой разностью электроотрицательностей. Одним из способов описания ковалентной связи является метод валентных связей, суть которого заключается в образовании пар электронов. Либо каждый из атомов вкладывает в связь по одному электрону, либо один предоставляет пару, а другой свободную орбиталь, тогда связь называют донорно-акцепторной.


Эта теория является развитием теории октетов Льюиса, которая долгое время позволяла объяснять природу ковалентной связи, сейчас метод валентных связей чаще используют для качественного определения структуры соединения, так как на его основе построена модель Гиллеспи, определяющая пространственную структуру соединения как наиболее удаленное расположение электронов и электронных пар относительно друг друга. Так например сера в возбужденном состоянии имеет на внешнем энергетическом уровне шесть неспаренных электронов, следовательно они расположены в виде октаэдра, такой формой обладает гексафторид серы, азот в свою очередь имеет 3 электрона и одну НЭП (неподеленную электронную пару), следовательно их взаимное расположение будет соответствовать тетраэдру, в центре которого расположен атом азота. Поскольку мы не можем увидеть НЭП, соединения азота представляют из себя «зонтики» в вершине которых стоит атом азота.


Кроме этого ковалентную связь можно описать с помощью метода молекулярных орбиталей, в его основе лежат представления об образовании молекулярных орбиталей, связывающих и разрыхляющих, они являются соответственно суммой и разностью волновых функций взаимодействующих электронов. Если проще, то молекулярные орбитали образуются за счет слияния орбиталей атомных, и структура полученной конструкции будет определяться как наиболее энергетически выгодное состояние системы. Данный метод более практически выгоден, так как позволяет исследовать сложные молекулы и ионы на наличие магнитных свойств, рассчитывать структуры сложных молекул, а также объяснить природу некоторых соединений, например электрондефицитного диборана.


Диборан является ближайшим гомологом гидрида бора и представляет большой интерес для ученых, так как связи в этой молекуле распределены не совсем очевидно.

Очень легкая химия (почти) ep 11 Химия, Химияпросто, Научпоп, Текст, Видео, Длиннопост

Как видим на рисунке, водород с какой-то стати стал двухвалентным, хотя такого и в теории не может быть. Так и есть, здесь мы видим пример трехцентровой, двухэлектронной связи, где пара электронов локализована между тремя атомами.


Кроме внутри молекулярных связей существуют еще и связи межмолекулярные и делятся они на два основных типа: ван-дер-ваальсово взаимодействие и водородные связи.

Первое обозначает различные дипольные взаимодействия, начиная от обычного дипольного притяжения, заканчивая индуктивными эффектами, когда поляризация молекул происходит под действием внешних сил.


Водородные связи являются частным случаем донорно-акцепторных связей и образуются за счет свободной орбитали водорода, связанного с электроотрицательным атомом. Водородные связи существенно влияют на физические свойства веществ, если посмотрим на температуры кипения водородных соединений неметаллов 2 периода можем заметить, что температура кипения воды значительно отличается от аммиака и фтороводорода, это происходит из-за сильных водородных связей, возникающих между молекулами воды. Также не мало важен тот факт, что в молекуле воды у 2 атомов водорода есть 2 свободные орбитали, а у кислорода 2 пары электронов, такое соотношение и обеспечивает сильные межмолекулярные связи в воде.

Водородные связи важны и для живых организмов, благодаря ним образуется вторичная структура белка. В газовой фазе из-за водородных связей происходит димеризация некоторых молекул, водородные связи с растворителем улучшают растворимость некоторых веществ. Многие полимеры, в том числе и биологические образованы благодаря водородным связям.

Дубликаты не найдены

Похожие посты
109

Честные-Благородные газы!

Честные-Благородные газы! ЕГЭ, Образование, Химия, Наука, Научпоп, Школа, Газ, Длиннопост

Инертные газы — VIII группа, главная подгруппа элементов в П.С.Х.Э.. Все они одноатомные газы, с трудом вступающие в реакции с другими веществами. Потому что их внешние атомные оболочки являются энергетически стабильными, т.к. достигли максимального количества электронов возможного в периоде. Эти газы еще называют благородными или редкими.


Представители: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Некоторые химики к ним причисляют и недавно открытый элемент — оганессон. Впрочем, он еще мало изучен, а теоретический анализ структуры атома предсказывает высокую вероятность того, что этот элемент будет твердым, а не газообразным.

На нашей планете благородные газы чаще всего встречаются в воздухе. Но также можно встретить и в воде, горных породах, природных газах и нефти.


Т.к. гелий является продуктом термоядерного синтеза звезд его много в космическом пространстве. Он является вторым по распространенности после водорода. В Солнце его почти 10%. Ученые считают, что атмосферы крупных планет включают в себя большое количество благородных газов.


Добывают их из сжиженного воздуха фракционным разделением (кроме гелия и радона). Гелий получают как сопутствующий продукт при добыче природного газа.

Свойства


Газы без цвета, запаха и вкуса. В воде плохо растворимы. Не горят и не поддерживают горение. Являются плохими теплопроводниками. Хорошо проводят ток и при обладают характерным для каждого цветом свечения. Практически не реагируют с металлами, кислородом, кислотами, щелочами, органическими веществами. Химическая активность растет по мере увеличения атомной массы (зависит от давления созданного для проведения данной реакции_.


Гелий и неон вступают в реакции только при определенных, как правило, очень сложных условиях; для ксенона, криптона и радона удалось создать достаточно «мягкие» условия, при которых они реагируют, например, со фтором. В настоящее время химики получили несколько сотен соединений ксенона, криптона, радона: оксиды, кислоты, соли. Большая часть соединений ксенона и криптона получают из их фторидов. Скажем, чтобы получить ксенонат калия, сначала растворяют фторид ксенона в воде. К полученной кислоте добавляю гидроксид калия и тогда уже получают искомую соль ксенона. Аналогично получают ксенонаты бария и натрия.

Инертные газы не ядовиты, но способны вытеснять кислород из воздуха, понижая его концентрацию до смертельно низкого уровня.


Смеси тяжелых благородных газов с кислородом оказывают на человека наркотическое воздействие, поэтому при работе с ними следует использовать средства защиты и строго следить за составом воздуха в помещении.


Применение

В газовой и газово-дуговой сварке в металлургии, строительстве, автостроении, машиностроении, коммунальной сфере и пр. Для получения сверхчистых металлов.

Нерадиоактивные благородные газы применяются в цветных газоразрядных трубках, часто используемых в уличных вывесках и рекламе, а также в лампах дневного света и лампах для загара.

Гелий

Жидкий гелий — самая холодная жидкость на планете (кипит при +4,2 °К), востребована для исследований при сверхнизких температурах, для создания эффекта сверхпроводимости в электромагнитах, например, ядерных ускорителей, аппаратов МРТ (магнитно-резонансной томографии).

Гелий-газ применяют в смесях для дыхания в аквалангах. Он не вызывает наркотического отравления на больших глубинах и кессонной болезни при подъеме на поверхность.


Так как он значительно легче воздуха, им заполняют дирижабли, воздушные шары, зонды. К тому же он не горит и гораздо безопаснее ранее использовавшегося водорода.


Гелий отличается высокой проницаемостью — на этом свойстве основаны приборы поиска течи в системах, работающих при низком или высоком давлении.

Смесь гелия с кислородом применяется в медицине для лечения болезней органов дыхания.


Неон

Применяется в радиолампах. Смесь неона и гелия — рабочая среда в газовых лазерах.

Жидкий неон используется для охлаждения, он обладает в 40 раз лучшими охлаждающими свойствами, чем жидкий гелий, и в три раза лучшими, чем жидкий водород.


Аргон

Аргон широко применяется из-за своей низкой стоимости. Его используют для создания инертной атмосферы при манипуляциях с цветными, щелочными металлами, жидкой сталью; в люминесцентных и электрических лампах. Аргоновая сварка стала новым словом в технологии резки и сварки тугоплавких металлов.

Считается лучшим вариантом для заполнения гидрокостюмов.

Радиоактивный изотоп аргона применяется для проверки систем вентиляции.


Криптон и ксенон

Криптон (как и аргон) обладает очень низкой теплопроводностью, из-за чего используется для заполнения стеклопакетов.

Криптоном заполняют криптоновые лампы, используют в лазерах.


Ксеноном заполняют ксеноновые лампы для прожекторов и кинопроекторов. Его используют в рентгеноскопии головного мозга и кишечника.

Соединения ксенона и криптона со фтором являются сильными окислителями.


Радон

Применяется в научных целях; в медицине, металлургии.


Будьте благородными!  С наилучшими пожеланиями искренне Ваш - #БородатыйХимик! Счастья, здоровья, любви, процветания!

Показать полностью
717

Фтор и его безумные безумные безумные соединения. Часть 2

Часть 1 читать здесь.


Думаю, самое время добавить в наш остросюжетный рассказ больше взрывов. Встречайте нашего следующего гостя: азид фтора (N3F)! Эта субстанция взрывается совершенно самостоятельно, без дополнительных реагентов, и делает это при комнатной температуре, разлагаясь по схеме 2 N3F → N2F2 + 2 N2. Да и при любой другой температуре тоже — стоит на него только неправильно посмотреть. Короче, если вы ищите способы ускорения осколков химической посуды до сверхзвуковых скоростей, азид фтора — ваш клиент.


Вам, конечно, интересно, как получить такое вещество? Берете чистый фтор (кхм...) и чистую безводную азотистоводородную кислоту HN3 (кхм-кхм..) и получаете... вообще, в 99% случаев вы получаете кратер. Если у вас когда-нибудь будет своя лаборатория, то уже после фразы “берем чистую безводную азотистоводородную кислоту” ваши ассистенты задумаются о смене работы. В водном растворе HN3 — просто страшный яд, аналогичный по действию цианидам. Но чистый азид водорода — сам по себе жидкость, которая взрывается при сотрясении, искре, от трения, негативных мыслей, неблагоприятного положения планет... Если вам кажется, что проводить реакцию этого вещества с чистым фтором — не лучшая идея, то в вас нет духа Дэви, Гора и Муассана. Не таков был Джон Хеллер, открывший азид фтора в суровом1942 году. Но и ему была дорога жизнь, и он проводил реакцию очень медленно и при очень низких температурах. Знайте, когда чистый фтор — более простой в обращении реагент в вашей схеме, то вы на переднем крае науки/безумия. Подробных исследований свойств азида фтора немного, и все же сумрачный немецкий гений подступался и к этому веществу и в 1987 году группа ученых в Ганновере создала усовершенствованный метод получения азида фтора и поделилась с коллегами следующими соображениями в своей статье:

Синтез чистого N3F с помощью описанного метода был повторен более 30ти раз без взрыва. Однако, если охлажденный N3F испаряется со скоростью выше указанной могут происходить исключительно сильные детонации. Одна капля распыляет любое стекло на дистанции 5 сантиметров.

И это при том, что немцы единовременно получали до 20 миллиграмм N3F, и настоятельно рекомендовали коллегам никогда не работать с большими объемами азида фтора. Среди прочего в статье потомков тевтонцев содержится указание на то, что азид фтора распадается по схеме FN3 → FN{a1Δ} + N2 при температуре 1000 градусов. Господи, как?! Как вы это установили?!


Список годных соединений фтора, с которыми я не желал бы находится в одном здании, еще далёк от завершения. Слыхали ли вы термин “суперкислота”? А как насчет “магической кислоты”? Нет, речь не о комиксах и не о фэнтези. Суперкислотами вполне официально называют кислоты сильнее концентрированной серной. Когда речь заходит о таких кислотах, шкала pH становится немного бессмысленной, так как ниже 1,3 кислотность веществ растет на практике гораздо резче, чем уменьшается показатель pH. Была придумана другая шкала - Гаммета. Она, как и pH, логарифмическая. Если у концентрированной серной кислоты H0=-12, а у фторсульфоновой (HSO3F) H0=-15, значит она ядренее в 1000 раз. А если вообразить вещество, с функцией кислотности по Гаммету -23, то значит оно в десять-с-одиннадцатью-ноликами раз ядренее концентрированной серной кислоты. Впрочем, зачем воображать - именно такова кислотность смеси фторсульфоновой кислоты с пентафторидом сурьмы (FSO3H·SbF5). Именно это вещество получило название “магическая кислота”. Она открыта в 60х Джорджем Олафом, который придумал такое название после того, как на рождественской вечеринке произвел большое впечатление на коллег, растворив в этой кислоте парафиновую свечку. Каждый развлекается по-своему. Магическая или фторсурьмяная кислота реагирует почти со всем. Например, с золотом. А еще с ксеноном. А еще золото и ксенон в среде фторсурьмяной кислоты от испуга начинают реагировать друг с другом с образованием тетраксенонозолота (AuXe4). Вчитайтесь еще раз - с помощью магической кислоты было получено ксенонозолото! Это вещество заставляет благородный металл реагировать с благородным газом!


Самый догадливый читатель спросит: "А в чем хранить магическую кислоту?" Ответ достаточно прост - вам нужен тефлон (полифторэтилен, ПТФЭ). Этот полимер из фтора и углерода ярко демонстрирует обратную сторону медали электроотрицательности фтора - окисленные фтором вещества дальше уже окислять некуда. ПТФЭ примечательно инертен и в отличии от лабораторных диковинок из этого поста повсеместно используется и именно благодаря своей стойкости к почти любым веществам, в том числе при нагреве. Из таких стойких соединений комментаторы первой части вспомнили также элегаз (гексафторид серы, SF6). Он используется для заполнения высоковольтного оборудования, так как мало распадается даже при приложении напряжения, а если и распадается, то потом рекомбинирует обратно. У него много интересных свойств - например, можно посмотреть как и зачем Александр Пушной накачивает этим газом себя и гостей программы "Хорошие шутки".


Ну что, детишки, вы уже достаточно познакомились с волшебным миром химии фтора, чтобы оценить прелесть идеи нагревать смесь кислорода и фтора до 700 градусов при давлении 10 атмосфер, а затем быстро охлаждать продукт до криогенных температур? Понимаете, все те люди, которые взрывались и травились фторидами в начале нашего рассказа, работали примерно при комнатных температурах и ниже. Желательно - много ниже. Один из братьев Нокс, пекших фторид ртути в сосудах из CaF2, если помните, поплатился за это жизнью. Так вот, при нагреве до 700 градусов фтор распадается на одноатомные радикалы, и теряет свой, в принципе, миролюбивый и безобидный характер. Ну, то есть вероятность, что ваш реактор, из чего бы он ни был, не воспламенится негасимым пламенем, исчезающе мала. Приступая к таким опытам под белый халат рекомендуется надеть спортивный костюм и кроссовки. В Германии 1932 стараниями Ади Дасслера не было проблем со спортивной обувью, и Менцелю и Руффу удалось получить указанным способом вещество, сама формула которого, я уверен, отправит брови читателя в путешествие по лбу.


Итак, наш следующий герой — диоксидифторид, O2F2 или просто F-O-O-F. Не часто увидишь формулу соединения, в которой кислород записывается на первом месте. Да, дружок, фтор окисляет кислород.


При комнатной температуре FOOF быстро разлагается на F2 и O2, но при -160℃ он распадается примерно по 4% в сутки, а это уже позволяет проводить с ним всякие опыты. Самые разные опыты, в том числе такие, которые могут прийти в голову только обладателю изощренного ума. Таким был мистер Стренг из университета Тэмпл, Филадельфия. Ему слово:

Будучи высокоэнергичным окислителем, диоксидифторид бурно реагировал с органическими веществами, даже при температурах, близких к его температуре таяния (-154℃). Он немедленно прореагировал с твердым этиловым спиртом, произведя взрыв с голубым пламенем. Когда капля жидкого O2F2 была добавлена жидкому метану, охлажденному до 90°K немедленно возгорелось белое пламя, приобретшее зеленый оттенок по мере горения. Когда 0,2 мл жидкого O2F2 была добавлена 0,5 мл жидкого CH4 при 90°K произошел мощный взрыв.

Вообще подобные записи характерны для сумасшедших ученых, работающих в подвалах секретных убежищ бондовских злодеев, никак не в 85 томе Журнала американского химического общества за 1963 год!


Однако Стренг еще только разминался! Ученый поставил эксперименты по реакции FOOF со следующими веществами:

* Аммиак — активная реакция.

* Водный лед — взрыв. Да, мы говорим о веществе, при контакте с которым вода взрывается даже при криогенных температурах

* Ацетон — взрыв

* Хлор — сильный взрыв. И, кстати, потом он повторил опыт еще раз. Помедленнее. Очень хотел получить O2ClF3, ненормальный. Кстати, удалось.

* Красный фосфор (????!!!!)

* Трифторид хлора (ААА!!!!! ЗАЧЕМ?!!! ЗАЧЕМ?!!!)

* Тетрафторгидразин (ААААА!!!!! Это же считай азид фтора под другим соусом!)

и многими другими. Фамилия Стренг, кстати, немецкая. Вы удивитесь, но было вещество перед испытаниями которого Стренг спасовал.

4 O2F2 + H2S → 2 HF + 4 O2 + SF6 + 432.9 ккал/моль.

~2 миллиона джоулей на моль тепловыделения тебе в лицо; удачи, не забудь написать завещание.


Насколько известно, практических применений FOOF пока не найдено. Тем не менее поиск на специализированных ресурсах высвечивает... коммерческого поставщика диоксидифторида! Hangzhou Sage Chemical Company, Китай, предлагает вам приобрести сию субстанцию в объемах 100, 500, 1000 грамм. Те, кто слышали о диоксидифториде понимают, что вряд ли такие объемы данного вещества когда-либо существовали единовременно. Видимо, китайского производителя такие мелочи не смущают. Снимаю шапку перед безумием храбрых в их погоне за прибылью. Любопытно было б заказать у этих чудаков раствор сероводорода в диоксидифториде и посмотреть на кратер на картах гугл.


На этом всё, не забывайте чистить зубы два раза в день!


Дисклеймер. Текст мой, развлекательный. Я профессионального отношения к химии не имею. Собрано по материалам блога Derek Lowe "In the Pipeline" и нарыто в интернете , в т.ч. на Википедии.

Показать полностью
2521

Фтор и его безумные безумные безумные соединения. Часть 1

Фтор и его безумные безумные безумные соединения. Часть 2

Фтор - это что-то полезное для зубов, так? Фтор — желто-зеленый газ, являющийся страшнейшим ядом. Самый электроотрицательный элемент, фтор, настолько реактивен, что способен окислять кислород. Настолько реактивен, что образует устойчивые соединения с ксеноном. Настолько реактивен, что во фторе горят даже вода и платина. Он реагирует со всем, кроме неона и гелия. Ракетчики отказались от него, потому что для реактивных двигателей он слишком реактивный. Слово, кстати, произошло от греческого phthoros - разрушитель. Выделение фтора долгое время представляло собой одну из сложнейших задач химии, оставившую за собой немало гробов и разрушенных взрывами помещений. Но обо всём — по порядку.


Первым в XVI веке был открыт флюорит (CaF2) — минерал, который при добавлении к руде снижал температуру плавления металла, сильно облегчая тех. процесс. Fluo — течь, флуорит заставлял металл течь. Умные ребята подозревали, что в его состав входит неизвестный элемент, заранее прозванный флуорином и сразу попытались его выделить. Однако сверх-реактивный флуорин сразу схватывался с чем попадется — обычно с водородом, поэтому первой открыли плавиковую кислоту (HF). Обнаружил её в 1771 году Карл Шееле по её любопытному свойству — она разъедала стекло.


Плавиковая кислота - вещество с удивительными качествами. Она действует на роговицу глаза примерно как чай на кусочек рафинада. Она обладает уникальной способностью проникать в ткани и оставлять страшные ожоги. И эти ожоги не очевидны немедленно из-за специфического влияния на нервную систему. Жение вы почувствуете далеко не сразу, а вот такой вид (кликайте на свой страх и риск) ваши конечности примут только на следующий день. В первую очередь фтор оприходует в вашем организме магний и кальций. Если удастся пережить сердечный приступ, то позвоночник осыпется вам в трусы уже позже. Однако смельчаки, пытавшиеся выделить фтор в XVIII-XIX веках, доступа к википедии не имели и устанавливали эти занимательные факты на собственной шкуре.


Первого храбреца, сократившего себе продолжительность жизни, экспериментируя со фтором, звали Гэмфри Дэви. Химия в те времена вообще была наукой смелых. Сохранились записи о его опытах по лечению похмелья вином, газированным оксидом азота. Если идея газировки, в которой вместо лимонада – вино, а вместо углекислого газа – веселящий, кажется вам перспективной, то учтите — парень получил тяжелые ожоги слизистых из-за образования во рту азотной кислоты при одном из подобных опытов. В 1812 году он чуть не потерял глаз при взрыве NCl3 в своей лаборатории (трихлорид азота взрывается при ударе, нагреве, контакте с жиром ваших пальцев...).


Но знаменит Дэви именно умением выделять элементы в чистом виде и разлагать вещества, считавшиеся в его время элементарными. Он был одним из первых ученых всерьез занявшихся электролизом, и с его помощью первым получил несколько близких краям периодической таблицы элементов: натрий, калий, хлор, магний, кальций, бор, барий. И после успеха с выделением хлора из соляной кислоты электролизом, сэр Дэви взялся за плавиковую. Химик получил глубокие ожоги пальцев, и едва не лишился зрения благодаря эффекту паров HF. К тому же пришлось отчитываться руководству университета за платиновый электрод, растворившийся в ходе эксперимента. В чистом виде локализовать фтор ему так и не удалось - лишь наблюдать за выделением на аноде немедленно воспламенявшегося газа.


Вслед сэра Дэви за дело взялись братья Нокс (George and Thomas Knox). Ирландцы разогревали соединения фтора в сосудах из СaF2, в основном фториды ртути. Выделившийся газ они собирали в ресиверы из того же СaF2, и подвергали испытаниям разные вещества. Стойким не оказалось ни стекло ни золото. В один прекрасный день им показалось хорошей идеей воздействовать на пары в сосуде с помощью искры. Взрыв с последующим распространением по лаборатории паров HF не заставил себя ждать. Томас Нокс погиб, Джордж лечил последствия отравления три года.


Погибли, отравившись, бельгийский химик P. Louye, французский Jerome Nickels, независимо друг от друга пытавшиеся выделить фтор. Гей-Люссак, над чьей фамилией смеются многие поколения школьников, тоже побывал на краю могилы и серьезно подорвал здоровье, как и его коллеги Луи Тенар и Эдмон Фреми. Впоследствии эти ученые получили название “мученики фтора”. Следующим, незавидной чести вступить в эту группу, удостоился Джордж Гор. О нем расскажем подробнее, так как он уберегся от отравления, зато сумел себя подорвать. Гор вернулся к методу Дэви - электролизу плавиковой кислоты с небольшой поправкой. Он решил работать с чистым фтороводородом. Поясню: плавиковая кислота - водный раствор HF. Пары, ожоги, растворенная роговица, кости в труху — короче, вы помните. HF сам по себе — газ с температурой конденсации 19,5 градусов, и он... гораздо опасней: этакая газообразная кровь Чужого. Продается исключительно в никелевых цилиндрах. Гор экспериментировал с электродами из разных материалов, с одним и тем же результатом - анод прекращал свое бытие либо немедленно при контакте, либо при подаче тока,

“иногда - с опасной стремительностью, порождая осколки, разлетавшиеся с внушительной силой”

— так записал сам Гор. Гор едва не погиб при взрыве в своей лаборатории во время такого эксперимента. Увы, пытаясь решить проблему немедленной реакции фтора со всем и вся, дегидрировав раствор HF, Гор только придал реакциям взрывной характер.


Успех же в деле выделения фтора пришёл к господину по имени Генри Муассан в 1906 году. Муассан понимал - если HF гидрирован, свободный фтор будет немедленно поглощён водородом, причём, вероятно, со взрывом. При этом чистый HF электричество не проводит. Значит надо найти, в чем его таком растворить, с чем он не будет мгновенно реагировать при выделении в чистом виде. Единственные вещества, с которыми фтор не реагирует - это те, с которыми он уже прореагировал. Помните как Ноксы использовали сосуды из СaF2? Так вот, он нашел такой электролит — KHF2. Зная, что ограниченное время платино-иридиевый электрод держится, он приступил к опытам. Слово Муассану:

Я получил фтор из фторсодержащей смеси, которая была добавлена к минералу с низкой точкой плавления, в которой смесь успешно растворилась. Использование электричества произвело фтор на положительном терминале. Трудность состоит в нахождении материала терминала, сопротивляющегося воздействию газа. После некоторых неудач и четырех прерываний работы связанных с тяжелыми отравлениями, нижеследующая конфигурация аппарата продемонстрировала свою пригодность. Два электрода были изготовлены из платино-иридиевого сплава. Они были запечатаны в платиновую U-образную трубку с пробками из минерала флурита (СaF2), которые были запечатаны смолой. U-трубка охлаждалась до температуры -24 градуса Цельсия, чтобы уменьшить действие фтора на платину. При первом опыте газ был приведен в контакт с элементарным кремнием. Произошла немедленная вспышка пламени с формированием газообразного продукта.

При чем тут кремний? Это было убедительное доказательство для ученых коллег. Если в полученном вами газе самовоспламеняется песок — вы имеете дело со фтором. Эксперимент, кстати, был не только опасный, но и весьма недешёвый. При получении одного грамма фтора на этой установке съедалось по шесть грамм платинового электрода. Ирония в том, что быстро выяснилось, что простая медь достаточно хороша - пленка фторидов на поверхности не даёт разъедать её дальше! В награду за успешное выделение фтора Муассан получил Нобелевскую премию и сокращённую продолжительность жизни. Он умер от тяжелого заболевания, вероятно, связанного с многочисленными отравлениями, всего через год, едва став нобелевским лауреатом. Добавлю, что первую демонстрацию работы установки Муассан проводил с чёрной повязкой на поврежденном глазу.

Но довольно о фторе как таковом. Элемент образует еще несколько соединений по сравнению с которыми плавиковая кислота безобидней компота. Представляю вам моего любимца среди них: Фторид хлора(III) (трифторид хлора, ClF3). Википедия на счет этого прекрасного вещества лаконична:

“Сильный окислитель. Бурно реагирует (иногда со взрывом) с большинством органических и неорганических соединений, в частности с водой. Способен воспламенять стекло, поэтому для работы с ним используют посуду из фторопласта или монель-металла.”

Сильный окислитель - слабо сказано. Он не просто сильнее кислорода. Если вы химик, и спецификация производителя на некое вещество проиллюстрирована фотографиями объятых пламенем предметов с подписями “сырой цыпленок при контакте с трифторидом хлора”, а также “контакт загрязненных нитриловых перчаток с трифторидом хлора” — поостерегистесь.


Трифторид хлора воспламеняет любую органику, тефлон, стекло, в нем горит пепел того, что уже было сожжено обычным способом. В нем горят несгораемые материалы: песок, бетон, асбест. Очевидно, любые способы тушения такого пожара совершенно неэффективны, будь то СО2, галон или, не дай бог, вода. Пожар будет источать клубы HF и HCl и прочей нямки. Вот что советует пособие по безопасности от производителя:

В маловероятном случае значительного разлива немедленно эвакуируйте зону и позвоните по экстренной линии компании Air Products. Не предпринимайте никаких попыток исправления ситуации! Внимание! Любая попытка борьбы с разливом может вызвать взрыв!

При этом его вполне можно хранить и транспортировать. В сосудах из никелированной стали образуется защитная пленка фторидов. Конечно, любая ошибка будет вам очень дорого стоить.


Очевидно, мимо такого замечательного вещества не мог пройти мимо сумрачный нацистский гений. Ученые рейха в 30х годах внимательно изучали возможные военные применения трифторида хлора. Было даже организовано промышленное производство этого вещества, получившего кодовое название N-stoff, на секретном полу-подземном заводе-бункере под Бранденбургом. Плановая мощность была определена как 90 тонн в месяц. С большим успехом были проведены испытания огнеметов на трифториде хлора на специально построенных моделях укреплений линии Мажино. Бетон бункеров, горящий при температуре более 2000 градусов, пары сразу нескольких ядовитых веществ, заволакивавшие поле боя — что еще нужно фашисту для счастья? “Земля горит под ногами” в данном случае не метафора, а объективный факт. Слава богу, к 1945 году, когда завод был захвачен Красной армией было произведено не более 60ти тонн. N-stoff никогда не использовался в боевых действиях.


Следующими к трифториду хлора присмотрелись ракетостроители. Нельзя ли использовать его как ракетный окислитель? Слово Джону Кларку, главному химику лаборатории ракетного движения армии США (позже ставшей частью НАСА). Вот что он пишет в своей зажигательной книге, посвящённой ракетному топливу:

Кончено же, он крайне токсичен, но это наименьшая из проблем. Он гиперголичен (самовоспламеняется при контакте - прим. masuk0) к любому известному топливу, и настолько бурно гиперголичен, что никакой задержки зажигания измерить не удалось. А еще он гиперголичен к таким вещам как одежда, древесина и инженеры-испытатели, не говоря уже об асбесте, песке и воде, с которой он реагирует со взрывом. Его можно держать в достаточно обычных материалах как сталь, медь и алюминий, поскольку формируется толстая непроницаемая пленка фторида металла, защищающая его основную массу, подобно тому как невидимая оболочка оксида защищает алюминий от горения в атмосферном воздухе. Тем не менее, если пленка расплавлена или содрана без возможности восстановиться, то оператор столкнется с метал-фторовым пожаром. На этот случай у меня есть единственная рекомендация — обзавестись парой хороших кроссовок.

Отличный совет, Джон! Он наверняка пригодился бы всем сотрудникам ракетной программы США, которые присутствовали при разгрузке контейнера с ClF3 в день, когда бак, охлаждаемый, дабы уменьшить реактивность содержимого, охрупчился и раскололся, выплеснув 2000 фунтов (907 кг) трифторида хлора. 907 кг трифторида хлора, Карл!!! Все вокруг мгновенно воспламенилось, а воздух наполнился парами HF, HCl, Cl2 и прочими вредными для здоровья газами, вызывавшими сильнейшую коррозию всего, что попадалось им на пути. “Бетон был в огне!” — вспоминали очевидцы. Пожар проел 30 сантиметров бетона и 90 сантиметров гравия под ним.


Трифторид хлора нашел свое применение в полупроводниковой промышленности. Там для получения сверхчистых веществ, включая монокристаллы, используют технологию осаждения из газовой формы в сверхчистой камере. Раньше между производственными циклами для очистки этих камер использовали высокотемпературную плазму, выжигая ей все внутри. Оснастка выдерживала не очень много таких циклов. К счастью, оказалось, что эффекта локализованного всеуничтожающего инферно можно добиться и без плазменных фаерболов. Просто запустите внутрь жидкий парок трифторида хлора!

Смею вас заверить, они обращаются с ним очень аккуратно!


Что-то пост уже длинноват, а ученые открыли еще немало безумных безумных безумных соединений фтора. Продолжение следует.


Дисклеймер. Текст мой, развлекательный. Я профессионального отношения к химии не имею. Собрано по материалам блога Derek Lowe "In the Pipeline" и нарыто в интернете , в т.ч. на Википедии.

Показать полностью
93

Тонкослойная хроматография для не-специалистов

Вероятно, все из нас видели (хотя бы на фотографии) тест на беременность. Надеюсь, никому не приходилось встречаться с тест-полосками на наркотики_или проваливать допинг-тесты. И, скорее всего, все читали или смотрели экранизацию “Двенадцати стульев”, где Ипполит Матвеевич Воробьянинов, желая получить «радикальный черный цвет» волос, остался с шевелюрой всех цветов радуги, которую пришлось в итоге сбрить.
Удивительно, но процессы, которые лежат в основе всех примеров – одни и те же. На этих же процессах основан один из очень распространенных методов разделения и определения веществ – так называемая тонкослойная хроматография. Термин тонкослойная» всего лишь означает, что она проводится на слое_толщиной в миллиметр (по сравнению с объемной хроматографией, где толщина вещества-основы может составлять до сантиметра), а вот о том, что же такое «хроматография», стоит рассказать подробнее. В 1903 году русский ученый Михаил Цвет представил на суд ученых новый способ разделения веществ, из которых состоит хлорофилл – зеленый краситель в листьях – и назвал его «цветописью» или хроматографией. Забавное совпадение: человек_по фамилии Цвет работает с красителями и называет новый метод почти в свою честь. Основан этот метод был на отличиях в силах взаимодействия разных молекул с веществом-основой. В качестве последнего в опытах Цвета выступал мел, но сейчас чаще всего используют силикагель (маленькие шарики, которые можно найти в пакетиках с обувью при покупке) или оксид алюминия. Цвет засыпал мелкий порошок мела в вертикальную стеклянную трубку, утрамбовал его, осторожно залил водой (так, чтобы весь мел намок, но не «поплыл») и сверху залил немного раствора хлорофилла. Далее он добавлял воду, а ее избыток вытекал снизу. Постепенно зеленая полоска продвигалась вниз и разделялась на три – светло-зеленую, темно-зеленую и желтоватую. Когда каждая из полосок оказывалась внизу трубки, экспериментатор собирал вытекающую жидкость в отдельный стакан. Оказалось, что хлорофилл состоит из трех разных веществ –их потом назвали хлорофилл А, хлорофилл Б и лютеин. Именно из-за насыщенности цветов метод получит такое название. Почти сразу ученые поняли, что таким образом можно разделять и другие вещества. Сначала опыты ставились на смесях красителей, чтобы было проще определять, когда следует собирать вытекающую жидкость, потом научились работать и с бесцветными веществами, подсвечивая трубку ультрафиолетом, или добавляя реагенты, которые окрашивали соединения. Далее оказалось, что вместо воды можно использовать другие жидкости, и тогда список разделяемых веществ значительно увеличился. С дальнейшим развитием техники научились разделять газы, здесь в качестве жидкости используются азот или благородные газы, а длина трубки может достигать целых 150 м, поэтому ее нужно сворачивают в кольцо. Этот метод стал незаменимым помощником химиков-органиков для очистки получаемого вещества, потому что особенностью органического синтеза является огромное количество разных примесей, и выделение продукта та еще задача; биохимиков, так как один из видов хроматографии – почти единственный способ разделения белков; и химиков-криминалистов для определения состава чернил и доказательства подлинности документа или, например, определения состава наркотических смесей
Вернемся именно к тонкослойной хроматографии – ее можно провести очень быстро (до получаса – обычное время такого анализа, по сравнению с несколькими часами обычной хроматографии), прямо на месте (из оборудования – пластинка с силикагелем, стаканчик с жидкостью и пипетка, а не огромные установки, как для разделения газов) и без химического образования – нужно лишь капнуть образец на край пластинки и аккуратно поставить ее в стакан. За нас все сделают капиллярные силы – растворитель сам будет подниматься вверх. В конце нужно либо опустить пластинку в раствор-проявитель, либо, если вещества с самого начала были цветными, просто посмотреть на нее. Обычно на пластинку ставят две точки – образец (смесь веществ, в которой надо определить наличие чего-либо) и чистое вещество, которое мы ищем. Если на хроматограмме (так называется итоговая картина) образца окажется пятнышко на том же месте, где и на хроматограмме чистого вещества – значит, оно есть в смеси. Все очень просто и доступно даже ребенку. Кстати о детях – если в качестве пластинки использовать прямоугольный или круглый кусочек рыхлой бумаги (в идеале – фильтровальной), то можно разделить пигменты в черном фломастере. Оказывается, черный цвет – это смесь многих цветов, а не единый пигмент. Этот опыт хотя и очень простой, но и очень красивый. При возможности настоятельно рекомендую попробовать! В случае же Кисы Воробьянинова в качестве пластинки выступили его волосы (разные вещества в краске для волос по-разному осели на волосах), и при смывании произошло их разделение. Нерешенным вопросом остались тесты на беременность, допинг и наркотики. Тут тоже все просто – на эти полоски нанесены вещества, которые проявляют окраску только при наличии наркотиков, допинга или гормона ХКЧ (его количество у беременных гораздо больше) в моче. Аналогично, кстати, работают тест-полоски на сифилис, вирус иммунодефицита человека и даже на наличие в образце крови (это очень важно для криминалистов). И, естественно, тест-полоски на коронавирус, если такие появятся в широком доступе, будут основаны именно на продвижении вещества по полоске за счет капиллярных сил.
Вот и получается, что событие, которое было описано в 1928 году, детские эксперименты и современные экспресс-тесты основаны на одном физико-химическом процессе.

Показать полностью
201

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века

Традиционно развитие химии ассоциируется с Новым временем и промышленной революцией. Ну еще конечно все знают про алхимиков. Хотя современным химикам, может показаться, что те лишь зря переводили реактивы в бесперспективных поисках философского камня и алкагеста. Иногда в детских изданиях историю химии начинают с Древнего Египта, рассказывая о происхождении слова «химия» от местного самоназвания Древнего Египта — Та Кемет (что означает «черная земля») или просто Кеми или Хеми на коптском. Также статьи о зарождении химии часто сопровождаются рассказами об использовании в Древнем Египте соды и масел для бальзамирования умерших, сульфидов сурьмы и свинца в косметике, или смеси крокодильего кала, мёда и кислого молока для смазывания влагалища с целью предотвращения нежелательной беременности местными красотками.

Но использовать химические вещества могут и дикие животные (в том числе и для снижения вероятности беременности). А вот целенаправленно синтезировать одни вещества из других может лишь человек. Химия это наука не просто о веществах, но в первую очередь об их превращениях.

Так когда же впервые осознано было синтезировано новое вещество?

Редко историю химии начинают с каменного века и палеолита. А ведь именно тогда свою первую химическую реакцию с целью получить нужное вещество провёл представитель вида homo sapiens sapiens. Или всё таки первыми химиками были существа иного вида?

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Реконструкция святилища в Чатал-Хююк. Чатал-Хююк был уникальным поселением каменного века на территории современной Турции. В нём проживало около 10 000 человек, что было невероятной численностью населения для VIII-VI тыс. до н.э. (общая численность всего населения Земли в то время не превышала численности населения современной Москвы). Такой необычный уровень урбанизации в эпоху, когда вся планета населена охотниками и собирателями естественно породил гипотезы о внеземном происхождении поселения. Город был настоящим оазисом инноваций и колыбелью прорывных технологий той эпохи: в Чатал-Хююке активно развивались технологии изготовления тканей, плавки металлов, создания фресок. Видите на иллюстрации на заднем плане парень малюет какую-то ерунду? Данное изображение считается одним из первых примеров карт, созданных человеком. И конечно же Чатал-Хююк был одним из центров развития «химических технологий» каменного века. Синтетические красители, строительные материалы, металлургия, лекарства — все эти продукты химии стали неотъемлемой частью жизни человечества уже на заре цивилизации.


В этом посте я хочу рассказать о самых первых химических реакциях, проведенных человеком еще задолго до появления алхимии: в каменном веке и на заре цивилизации. Речь пойдет не просто о применении полезных веществ, а именно о древних химических процессах, в которых из одних веществ сознательно получали другие вещества для практического использования. 5 пунктов расположены в хронологическом порядке. Места и даты очень условны и соответствуют наиболее древним достоверно подтвержденным примерам проведения описанных химических реакций. Вопросы связанные с металлургическими процессами я решил не рассматривать в данном посте в виду их обширности.

Итак, попробуем ответить на вопрос о том, какие химические вещества были первыми в истории полученными с помощью химических реакций человеком?


1. Уголь. Истоки химии в кострах первых людей.

Время: 50 000 лет назад.

Место: территория современной Франции.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Исторический контекст.

Одним из первых достижений человека, воспетом в древних мифах, стало приручение огня. Это произошло еще до появление собственно человека современного типа. Первые кострища и свидетельства использования огня датируются возрастом 1,7 миллиона лет! Приручившие тогда огонь существа и людьми то в полном смысле этого слова не были — это были представители вида homo erectus. И тем более едва ли они применяли продукты термических реакций. Да и самостоятельно получать огонь человек в то время еще не умел.

Целенаправленное использование огня для получения практически значимого химического продукта появилось скорее всего уже тогда, когда люди научились самостоятельно добывать огонь. В 2018 году в журнале Scientific Reports было опубликовано первое археологическое доказательство использования неандертальцами трения для получения огня. Анализ каменных артефактов, найденных по всей Франции, возраст которых около 50 тысяч лет указывает на то, что к этому времени люди не только использовали естественный огонь, но и могли разжигать его сами. Тем не менее, провести надежную границу для времени, когда человек начал сам получать огонь довольно трудно. Возможно получать огонь начали еще раньше в среднем палеолите, но к тому времени еще не сложилось специализированных инструментов для разведения огня, которые можно было бы легко распознать, как считают некоторые исследователи.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Homo erectus используют огонь для обработки своих орудий.


Применение углерода.

Образующийся в процессе горения углерод мог иметь различные применения.

Основным применением угля вероятно было его использование в качестве черного пигмента. Удивительно, но сажа до сих пор остается основным черным красителем, используемым от чернил для принтера до пигмента для окрашивания автомобильных шин.

Кроме того, более чем вероятно, что уже в каменном веке древесный уголь применяли в медицинских целей. Было обнаружено, что окаменелые экскременты неандертальцев несут следы проглоченного угля, и есть основания полагать, что аборигены использовали порошок древесного угля в качестве средства от расстройств пищеварения и для заживления ран. Первая зарегистрированная история потребления древесного угля в медицинских целях датируется 1500 годом до н. э. Египетские папирусы раскрывают использование древесного угля для лечения гниющих ран и кишечных расстройств, а также для борьбы с вредителями. Есть достоверные свидетельства того, что древесный уголь в качестве лекарства применяют даже некоторые животные. Поэтому несмотря на отсутствие непосредственных свидетельств использования угля в медицинских целях в каменном веке вряд ли в этом стоит сомневаться.

В более позднюю эпоху древесный уголь стал незаменимым сырьем в металлургии, и использовался в качестве восстановителя, позволявшего получать из оксидов медь и железо в металлической форме.

Более того, углерод можно считать первым открытым человеком простым веществом, а также первым открытым химическим элементом. И это еще не всё. Cажа, как правило, содержит наноразмерные частицы углерода (30-300 нм), которые определяют многие свойства материала. Таким образом, получение древесного угля и сажи могут считаться первым примером получения наночастиц.


Химия костра.

Во время горения происходит карбонизация целлюлозы, в результате чего формируется система сопряженных шестичленных ароматических колец, в узлах которых расположены атомы углерода.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Схема карбонизации растительных волокон при горении.


Карбонизация является сложным пиролитическим процессом, в котором одновременно протекает множество реакций, среди которых дегидрирование, конденсация, перенос водорода и изомеризация. От конечной температуры пиролиза зависит степень карбонизации и количество остаточных примесных элементов (кислород, азот, сера) в угле. Например, при T ≤ 900 °С (температура хорошего костра) содержание углерода в остатке превышает массовую долю 90 мас.%. Карбонизация часто является экзотермической реакцией, что означает, что ее можно сделать самоподдерживающейся и использовать в качестве источника энергии. Таким образом, костер также был первым способом получения энергии, созданным человеком.

В процессе горения древесины кислород воздуха частично окисляет биомассу с образованием летучих продуктов, таких как CO и CO2. Также при горении костра улетает вода в виде пара. В состав любой биологической клетки, в том числе растительной, обязательно входят азот (в составе нуклеиновых кислот и белков), сера (в составе ряда аминокислот белков), фосфор (в составе нуклеиновых кислот), натрий и калий. Азот улетает в виде N2 и оксидов азота, сера окисляется до SO2 (из-за него дым может быть едким), а фосфор, калий и натрий формируют неорганический остаток в виде золы, состоящей из карбонатов и фосфатов натрия, калия и других микроэлементов. Зола тоже являлась важным продуктом химического производства древности. Об этом будет в следующем посте.

В состав дыма и сажи входит множество органических веществ, которые успели покинуть горячую зону не подвергнувшись окислению или карбонизации. Главным образом это канцерогенные полиароматические соединения (нафталин, пирен, фенантрен и другие) и альдегиды (включая формальдегид и ацетальдегид). За едкий запах дыма на ряду с SO2 отвечают фенолы и крезолы. А вот за приятный запах дыма отвечают фенольные соединения, такие как изоэвгенол (пряный запах), форфурол (хлебный запах), сирингол (дымные нотки), гваякол ("аромат бекона"); источники 1, 2, 3. Органические компоненты дыма могли служить в древности в качестве консервантов и ароматизаторов при приготовлении пищи на костре. Как видите, "всякую химию" в еду "добавляли" еще на заре человечества как минимум 170 тысяч лет назад. Обратите внимание, насколько "традиционные консерванты" безопасны по сравнению с современными пищевыми добавками, которых так опасаются поборники всего натурального. При этом, несмотря на появление в еде канцерогенных и высокотоксичных примесей, некоторые исследователи считают, что именно приготовление пищи на костре способствовало изменениям мозга, которые привели к возникновению человеческого разума.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Структура угля в зависимости от максимальной температуры пиролиза ; A) сильно разупорядоченный ароматический углерод в аморфной массе; B) растущие листы микрографитных кристаллитов; C) структура становится графитовой. Источник.


Огонь был краеугольным камнем в эволюции человека, и стал основой для приручения двух главных "стихий", составляющих природы - химии и энергии. Удивительно, что честь первопроходца в этом деле, вероятно, принадлежит еще ранним видам homo, таким как homo erectus и homo sapiens neanderthalensis.

Что касается основного продукта древнего костра - углерода, спустя десятки тысяч лет углерод переживает новое рождение и начинает претендовать на роль главного материала будущего. Углерод уже сейчас стал основой передовых конструкционных материалов и незаменим в энергетике, как анодный материал используемых всеми нами элементов питания. А в будущем может вытеснить металлы и кремний из электроники. Шестигранная графеновая решетка стала настоящим символом грядущего будущего во многих фильмах и играх.


2. Охра. Древнейшие химические лаборатории.

Время: 100 тысяч лет назад.

Место: Южная Африка, пещера Бломбос.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Инструменты для приготовления красителя на основе охры из пещеры Бломбос. Источник.


Исторический контекст.

Сто тысяч лет назад человек современного типа еще не распространился по всей Земле. Америка и Австралия не были заселены гоминидами совсем, а Евразию населяли ранние виды человека, такие как неандертальцы, денисовцы и различные популяции homo erectus. Именно в Африке 200-100 тысяч лет назад появляется человек, интеллект которого окажется способным изобрести космические ракеты, компьютеры, интернет и мемы. Проследить за моментами зарождения разума бесценно. Удивительным образом мы наблюдаем появление такого исключительно человеческого явления как культура в виде древнейшей химической лаборатории по изготовлению красителя.

Применять красную охру в качестве красителя по всей видимости начали ещё 200-300 тысяч лет назад в Африке. Также как и в случае огня первенство здесь вероятно принадлежит не кроманьонцам, а представителям вида homo erectus. Уже 160 тысяч лет назад кусочки красной охры в пещерах Африки стали обычным явлением. Вероятнее всего первоначально эти куски пигмента использовались для раскрашивания тела. Также есть свидетельства того, что неандертальцы 200-250 тысяч лет назад также использовали охру. Более того, в 2018 году в журнале Science вышло сенсационное исследование с новыми датировками наскальной живописи в ряде пещер Испании. Уран-ториевый метод показал, что возраст рисунков составляет 64 000 лет. То есть они были созданы до того, как человек современного типа пришел в эти места. Но надо конечно же отметить, что эти самые древние в мире рисунки и выглядят как мазня 2-х летнего ребенка. Если раньше первенство в создании произведений искусства бесспорно отдавали европейским кроманьонцам, то данные последних десятилетий уже указывают на явное более ранее африканское и неандертальское происхождения искусства и культуры.

В результате раскопок в 2008 году в пещере Бломбос в Южной Африке были обнаружены следы приготовления многокомпонентной краски на основе охры, кости, древесного угля, а также найдены соответствующие инструменты, в том числе две раковины моллюска Haliotis midae, в которых разжижали смесь. Автор работы Кристофер Хеншилвуд говорит:

Это не просто случайная смесь, это ранняя химия. Это предполагает концептуальные и, вероятно, когнитивные способности, которые эквивалентны современным людям.

В новосте, опубликованной в журнале Nature, данная находка названа древней лабораторией. В российском интернете это открытие также преподносилось как лаборатория каменного века. Лично мне кажется печальным, что в первой в мире химической лаборатории не было проведено ни одной химической реакции. В данном примере мы не наблюдаем превращения одних веществ в другие. Тем не менее, изготовление сложных составов для практического использования является первоосновой в развитии химических технологий. Это пример первых экспериментов предпринятых на заре человечества.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Большое красновато-оранжевое наскальное изображение животного из пещеры Лубанг Джериджи Салех, Восточный Калимантан, Индонезия (смотреть на карте). Согласно последним датировкам это самое древнее изображение животного в мире, имеющее возраст в диапазоне 52-40 тыс. лет. Что за животное не ясно, но авторы исследования интерпретировали его как дикого Борнейского бантенга (Bornean banteng) - корова такая. Статья Nature, 2018.


Химия охры.

Охрой обычно называют железосодержащие породы, состоящие из смеси глинистых минералов (монтмориллонит, каолинит и другие) с оксидами и гидроксидами железа, такими как гематит и гётит. Гематит (α-Fe2O3) представляет собой оксид железа с ромбоэдрической кристаллической решёткой. Имеет красный и красно-коричневый цвет. В то время как желтая охра - гётит (α-FeOOH) представляет собой гидратированный оксигидроксид железа с ромбической кристаллической решёткой. Таким образом, за красный цвет охры отвечает гематит и Fe3+, но если в охре много воды в виде H2O или OH-групп, то она приобретает желто-оранжевые оттенки за счет окраски гидроксидов и гидратов железа. При этом красная охра встречается реже желтой, оранжевой или коричневой.

Различные формы оксидов/гидроксидов железа способны переходить друг в друга в результате химических изменений, таких как дегидратации (потеря H2O) и/или дегидроксилирование (потеря OH). Так нагревание гётита до температуры всего в 250-350 °С вызывает его превращение в красно-вишневый гематит. Термическое изменение включает изменение кристаллической структуры.

Интересно, что на уважаемом мной сайте elementy.ru в статье "Краски Древнего мира: красная охра" утверждается

древние художники нашли (Lyn Wadley, 2009) иной способ ее получения. Желтая охра при прокаливании до ~250°C теряет воду, превращаясь в красную. Как свидетельствуют (Lyn Wadley, 2010) находки из пещеры Сибуду (Южная Африка), этот факт был известен еще 58 000 лет назад

На самом деле, если мы прочитаем оригинальные статьи, на которые ссылается Кирилл Власов, автор статьи на elementy.ru, то увидим, что Лин Вадли утверждает противоположные вещи:

в прошлом трансформация иногда могла быть преднамеренной, но иногда закопанные куски (nodules) охры (или остатки охры, присутствующие на погребенных каменных орудиях) могли нагреваться случайно. Костры, зажженные над древними стоянками, могут вызвать пост-осадочное превращение в коллоидах или минералах через тысячи лет после того, как они были впервые доставлены на место... Новым в этом проекте является предположение о том, что процесс трансформации может иногда происходить случайно и после отложения.

Иными словами, нам не известно достоверно о том, что люди намеренно получали красную охру из желтой. Тем более, это превращение не имело место в пещере Сибуду. В своей работе Лин Вадли делает противоположные выводы: вместо того, чтобы готовить красную охру из желтой, "троглодиты" вынуждены были искать природную красную охру. Я чуть было не попался. Trust no one.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Шаростержневая 3D-модель гематита. Фиолетовые шарики - железо, красные - кислород. Именно благодаря сочетанию красных и фиолетовых шариков гематит придает охре характерную вишнево-красную окраску. Шутка. Источник.


В любом случае, в позднем палеолите люди вполне могли уже использовать нагрев, чтобы химически регулировать оттенки своих пигментов. Красная охра оставалась на протяжении десятков тысяч лет одним из основных пигментов, применявшихся человеком на всех континентах от Австралии до Аргентины и от Западной Европы до Восточного Борнео. Именно охра стала главным красителем для художников позднего палеолита, создававших шедевры наскальной живописи.


3. Керамика. Первый искусственный конструкционный материал.

Время: 25 000 лет назад.

Место: Долни Вестонице, Чехия.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Венера Вестоницкая из Дольни Вестонице.


Исторический контекст.

По-видимому, люди изготавливают керамику в течение по крайней мере 25 000 лет, подвергая глину и кремнезем интенсивному нагреву, чтобы сплавить их и сформировать керамические материалы.

13 июля 1925 года к югу от города Брно у основания горы Девин на месте палеолитической стоянки Дольни Вестонице в слое пепла была обнаружена разбитая на две части небольшая 11 см высотой статуэтка из обожжённой глины. Фигурку, изображающую обнаженную женщину, назвали Вестоницкая Венера. Эта статуэтка и несколько других из близлежащих мест оказались самыми старыми известными керамическими изделиями в мире. Всего в Дольни Вестонице было найдено более 5000 артефактов из обожженной глины, включая фигурки мамонта, носорога, льва, медведя. Анализ показал, что глиняные фигурки подвергались нагреву до температуры в 500-800 °С (температура костра). Спекание проходило по жидкофазному механизму, инициированному примесями. Фосфат в местной лессовой почве действовал как флюс, который инициировал реакции стеклообразования в керамике Дольни Вестонице.

До неолита керамика не имела практической пользы и мы имеем лишь эпизодические находки. Настоящее распространение и взрывной рост керамических технологий по всему миру мы наблюдаем с X тысячелетия до н.э. В это время в разных частях света человек стал использовать керамику для изготовления посуды. Наиболее древняя керамическая посуда была обнаружена в Китае в пещерах Сяньендун (место на карте) и Ючанян (место на карте) и имеет возраст 20-14 тысяч лет. Следы нагара свидетельствуют, что эта керамика использовалась для приготовления пищи. Керамические сосуды на долгие годы стали основой для хранения и транспортировки жидких и сыпучих товаров. Грузоподъёмности кораблей измерялись в керамических амфорах.

До китайских находок наиболее древней керамической посудой считались находки в Японии относящиеся к культуре Дзёмон (предки современных айнов) и имеющие возраст 16 000 лет.

На Ближний Восток и в Европу технология изготовления керамики пришла из Северной Африки. Здесь наиболее древние следы гончарного ремесла были обнаружены в местечке Уньжугу в Мали (смотреть на карте) и датируются около 9400 года до н.э. Независимо от Старого Света керамика появляется и в Новом Свете. Наиболее древние следы керамики были обнаружены в пещере Педра Пинтада в нижнем течении Амазонки в Бразилии (место на карте) и имеют возраст от 7500 до 5000 лет (а вовсе не 9,500-5,000 как указано в статьях Википедии, trust no one). Это удивительный факт, свидетельствующий о как-будто некой общности и предопределенности путей технологического и социально-экономического развития человечества. Кажется, что технологии являются не случайной выдумкой отдельных гениев, а результатом неизбежных закономерностей.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Строение глинистых минералов: каолинита, иллита и бентонита.


Химия керамики.

Глина это мелкозернистый материал, состоящий из глинистых минералов, таких как каолинит, в состав которого входят оксиды кремния (SiO2) и алюминия (Al2O3). Каолинит это слоистый материал, в котором на одну молекулу оксида алюминия приходится две молекулы оксида кремния, которые связанны с двумя молекулами воды. Кроме того, в состав глины могут входить также оксиды кальция (CaO), магния (MgO), железа (FeO). Примесь триоксида дижелеза Fe2O3 придает глине желтоватый цвет.

При прокаливании глины сначала происходит удаление воды. Даже после того, как атмосферная вода испарилась, глина все еще содержит около 14 % химически связанной воды по весу. Все глинистые материалы содержат некоторое количество углерода, органических материалов и серы. Они сгорают в диапазоне температур между 300 °C и 800 °C. Химически связанная вода удаляется при нагревании глинистых минералов до температур 400-700 °C. При этом слабые водородные связи, соединяющие отдельные слои глины, заменяются более сильными и короткими кислородными мостиками. Скорость потери гидроксильных групп (-OH) и энергия, необходимая для их удаления, являются специфическими свойствами, характерными для различных глинистых минералов. Процесс дегидроксилирования (потеря OH) также может приводить к окислению Fe2+ до Fe3+ в железосодержащих глинистых минералах.

При нагревании до температур, превышающих дегидроксилирование, структура глинистого минерала разрушается и происходит инверсия кварца. Происходит разложение карбонатов, образование легкоплавких силикатов, скрепляющих изделие. В присутствии флюсов, таких как железо или калий, за дегидроксилированием может быстро следовать спекание.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Примерно такие химические реакции могут происходить при обжиге керамики. Первые две иллюстрируют разложение примесных карбонатов, а две других работу флюсов.


Керамика - результат первых химических экспериментов человека, стала первым искусственным материалом созданным людьми. Безусловно она сыграла свою роль в неолитической революции, которая привела к созданию цивилизации. Керамика изменила пищевые привычки людей, сделав возможным приготовление супов, каш, масел, вина и пива. Керамика на долгие годы стала основной утварью для транспортировки и хранения товаров, способствуя торговле и, как следствие, обмену знаниями, идеями, технологиями. Как керамические сосуды служили контейнерами для транспортировки товаров, так глиняные таблички послужили для хранения и передачи информации. Возможно, в ближайшем будущем именно керамические материалы станут фундаментом для новой технологической революции, которая подарит человечеству невероятные "магические" технологии левитации, телепатии и безграничного процветания... ну или убьют нас всех.


4. Гипс, гашёная и негашёная известь. Начало химии строительных материалов.

Время: около XII-VII тыс. до н.э.

Место: Левант.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Статуэтка человека из Айн-Газаль, Иордания, VII тыс. до н.э. Статуэтка сделана из гипсового раствора нанесенного на тростниковый каркас, впоследствии удаленный. Глаза нарисованы битумом. Лувр, департамент ближневосточных древностей.


Исторический контекст.

Ледниковый период закончился 12 000 лет назад. В результате таяния ледников уровень моря поднялся примерно на 35 метром. Наступила новая геологическая эпоха - голоцен. Человек к этому времени заселил все континенты кроме Антарктиды и был готов к новым революционным изменениям - переходу к сельскому хозяйству, оседлости и постоянным поселениям. Постепенно круглые хижины кочевых охотником собирателей сменяют капитальные строения с прямоугольной планировкой.

Первыми искусственными связующими веществами, используемыми человечеством, являются растворы на основе известняка и гипса. Такие растворы стали широко использоваться на Ближнем и Среднем Востоке в VIII-VII тысячелетиях до нашей эры. Изобретение известковой штукатурки обычно относят ко времени существования ближневосточных эпипалеолитических культур, таких как Кебаран (XII тыс. до н.э.) и Натуфиан (XI-IX тыс. до н.э.). Известковая штукатурка стала одним из элементов натуфийской "архитектуры". Известковый строительный раствор в неолите применялся и в Европе. В пещере Дракаина на острове Кефалония (родина знойной Кассандры из Assassin's Creed Odyssey) в Vi-IV тыс. до н.э. известковый раствор использовался в качестве строительного материала для полов.

Стоит также обратить внимание на исследование, которое мы упоминали выше в разделе про охру. Находки в пещере Сибуду возрастом 58 000 лет может и не указывают на способности древних африканцев превращать жёлтую охру в красную, но есть убедительные доказательства того, что в Сибуду проводили намеренное цементирование золы в присутствии фосфатов и гипса для получения твердой подложки для истирания охры. Таким образом, использование гипса как конструкционного материала возможно насчитывает десятки тысяч лет. Производство гипса расширилось в эпоху докерамического неолита B в Восточном Средиземноморье, а географическое распределение известковой и гипсовой штукатурки указывает на взаимодействие культур и технологический обмен на всём Ближнем Востоке. Позднее в Древнем мире известковая и гипсовая штукатурка была известна и применялась в строительстве в Древнем Египте (до эллинистического периода предпочтение отдавалось глиняным и гипсовым растворам по климатическим причинам), в Мохенджо-Даро, в дворцах минойской цивилизации, в Древней Греции и Риме (где предпочтение отдавалось известковым растворам по климатическим причинам).

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Бейда, Иордан. Поселение культуры докерамического неолита VIII тыс. до н.э. Круглые хижины из сырцового кирпича являются данью традициям кочевых предков. Жители поселения уже освоили сельское хозяйство, но охота по прежнему играла важную роль. Как-будто они были готовы в любой момент сорваться с места и уйти в закат в след за стадами антилоп. Иллюстрация художника Balage Balogh.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Айн Газаль, Окраина Аммана, Иордания. Поселение культуры докерамического неолита VII тыс. до н.э. Когда ты окончательно осел, остепенился, обзавёлся женой, коровой, детьми, свиньями да баранами, то можно обустроить капитальный прямоугольный дом и обязательно отштукатурить извёсткой потолок, стены и пол. Иллюстрация художника Balage Balogh.


Химия извёстки и гипса.

Химическая основа приготовления строительного раствора очень проста: реакционноспособное соединение (негашеная известь в случае известковых растворов) получают сжиганием природного материала при соответствующей температуре. Гипсовая штукатурка изготавливается путем нагревания алебастра или гипсовой породы (CaSO4*2H2O) при температуре 150-400 °C с образованием полугидрата (CaSO4*1/2H2O), который при смешивании реагирует с водой с образованием дигидрата (CaSO4*2H2O).

Технология получения известковой смеси намного сложнее. Известковая штукатурка изготавливается путем нагревания известняка (CaCO3) в течение продолжительного времени до температур 800-900 °C В результате происходит разложение карбоната кальция с выделением газообразного углекислого газа с образованием негашеной извести, представляющей собой оксид кальция (CaO). Обжиг известняка для производства негашеной извести в тоннажных количествах требует нагревания в течение трех или четырех дней до высоких температур с постоянным добавлением топлива. Длительный обжиг требуется, потому что реакция разложения начинается на поверхности каждого куска известняка, поглощая тепло, и медленно распространяется по всему объему. Именно высокая потребность в дровах делала извёстку непопулярной в Древнем Египте (хотя Фоменко и Носовский, а также другие приверженцы концепции геополимерного бетона тут явно бы возразили).

Полученную негашёную известь необходимо замочить в воде для образования гашеной извести, представляющей собой гидроксид кальция (Ca(OH)2). В процессе гашения выделяется значительное количество тепла. Полученную гашенную известь можно хранить некоторое время перед использованием, но после высыхания и выдерживания на воздухе она реагирует с атмосферным углекислым газом с образованием карбоната кальция (CaC03). Конечный продукт идентичен по химическому и кристаллическому составу исходному известняку. Поэтому его нельзя отличить от природного с помощью химического или рентгеновского анализа. Однако также как и в случае гипсовой штукатурки, известковая штукатурка имеет характерную микроструктуру, состоящую из микроскопических сферических частиц, которые явно отличаются от исходной природной породы.

У истоков химии: 5 древних химических превращений, проводившихся еще людьми каменного века История, Химия, Каменный век, Костер, Керамика, Научпоп, Длиннопост

Производство известковых и гипсовых строительных смесей представляет собой многоэтапный процесс, требующий поиска и сбора сырья, нагревания известняка (или гипса), гашения негашеной извести в воде, добавления в раствор различных добавок, нанесения и придания формы готовой пасте, и часто полировки на последнем этапе. Таким образом, это была ремесленная деятельность, нуждающаяся в высококвалифицированных специалистах и имеющая некоторое сходство с гончарным производством.


5. Алкоголь. Первые биотехнологии.

Алкоголь также впервые был получен человеком в каменном веке, в эпоху неолита. Но тема настолько важна, что требует отдельного поста.

Вывод.

Манипуляции с веществами как-будто лежат в самой природе человека. Химические технологии были такими же атрибутами творческого человеческого разума и сложного абстрактного мышления как искусство, религия, язык, изготовление инструментов и одежды. Человек подобен Богу. Мы способны превращать одну материю в другую и творить новую никогда ранее не существовавшую. Можем делать из праха земного всё, что заблагорассудится.


Я восхищаюсь тобой, дорогой читатель, если ты смог дочитать до конца! Моя жена не смогла.


Другие мои посты на тему доисторической химии:

- Боевые нейротоксины на службе первобытных племен.

- 5 артефактов древнего мира созданных с применением нанотехнологий.

Показать полностью 14
65

ДУСТХИМ и спектры химических элементов

Простые и эластичные цветные линии описывают очень сложные математические формулы физических законов физики электронов. Какая простота заключена в спектре элемента. Его свет! Гармония в чистом виде!

Излучение световых волн атомами происходит следующим образом. Получая энергию извне, например, при столкновениях с другими атомами, атом переходит в возбужденное состояние. Это состояние имеет малое время жизни, поэтому вскоре атом переходит в состояние с более низкой энергией, излучая при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий тех состояний, между которыми происходит квантовый переход.

При пропускании такого света через призму или дифракционную решетку будет наблюдаться не сплошной спектр типа радуги, а линейчатый, состоящий из отдельных цветных линий с частотами на темном фоне. На опыте линейчатые спектры дают нагретые 1-атомные газы, атомы которых почти не взаимодействуют друг с другом, и поэтому спектры излучения отдельных атомов не искажаются вследствие взаимодействия.

На фото запечатлены линии ксенона

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Спектр дейтерия из лампы ДДС-30

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Газ неон

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Так выглядит стронций

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

А это ртуть

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Уран из оптики ЗС-7

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

И всем знакомый спектр с школьных времен - спектр натрия

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост
Показать полностью 6
236

ТОП НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫХ ВИДЕО НЕДЕЛИ (05.01.20 – 11.01.20)

Здравствуйте! Это подборка самых научно-популярных видео за прошедшую неделю по версии подписчиков SciTopus.

На пятом месте видео, опубликованное на канале Лаборатория научных видео: «ТОП 10 Антропогенеза за 2019 год. Александр Соколов».

Четвёртое место заняло видео от НаукаPRO с необычной темой: «Алексей Водовозов - Ушные палочки: скрытая угроза».

Канал Химия – Просто на третьем месте благодаря видео «САМАЯ СИЛЬНАЯ КИСЛОТА».

Ещё одно видео на тему химии заняло второе место в нашем недельном рейтинге: «СУХАЯ ВОДА. МИФЫ И ФАКТЫ. Что это?», канал Chemistry Today.

В голосовании за бонус недели победило видео «Почему ПСИХОЛОГИЯ не НАУКА?» канала ПсихФак.

Также рекомендуем посмотреть выступление Елены Смотровой, главного редактора VERT DIDER «Почему зарубежный научпоп бодрее и проще», опубликованное на нашем канале.

Самым популярным видео недели стало «ВЕЛИЧАЙШИЙ ТРОЛЛЬ В ИСТОРИИ / КАК МАСОНЫ ЗАХВАТИЛИ МИР» от GEO.

Если вам интересна научно-популярная тематика, то вам может быть полезен наш полный список всех науч-поп каналов.

Если хотите влиять на формирование ТОПов: https://vk.com/scitopus

Показать полностью 5
151

ТОП5 НАУЧ-ПОП ВИДЕО НЕДЕЛИ #30

Здравствуйте! Это подборка самых научно-популярных видео за прошедшую неделю, по версии подписчиков SciTopus. Если вам удобнее видеоверсия, то вот аналогичный посту видеоролик:

На пятом месте Борис Цацулин с разбором популярных мифов о правильном питании.

Четвертое место занял ChemistryToday с коротким роликом о магнитной левитации. Ролик-то короткий, но кадры в нем ооооочень эффектные!

Третье место - канал ТОПЛЕС и ролик про то, как легко вас можно найти, если вы совершили преступление.

На втором месте Физика от Побединского и его совместная работа с Артуром Шарифовым. Ролик про то, как гравитация связана с замедлением времени.

В голосовании за бонусное видео недели с хорошим таким отрывом победил канал Химия - Просто. Ролик про... пробирки!

Первое место на этой неделе занял просветительский проект Курилка Гутенберга с записью лекции Аси Казанцевой про память и обучение.

Если вам интересна научно-популярная тематика, то недавно мы обновили полный список всех науч-поп каналов.


Если хотите принимать участие в формировании ТОПов: https://vk.com/scitopus

Показать полностью 5
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: