Рискуя здоровьем и жизнью
Есть тяга к поиску чудес,
Мы ей обычно не перечим.
Толкает нас незримый бес
Большим открытиям навстречу.
М. Цивел
Химия как наука сформировалась в середине XVIII в. – это было время открытий химических элементов и новых соединений. Но наука определяется не только этим, ведь открытые вещества необходимо было описать детально. Согласно правилам тех времен, при описании новых соединений указывался их цвет, вкус и запах.
Исключительно велики заслуги шведского химика Карла Шееле. По словам французского химика Ж. Дюма, он "не мог прикоснуться к какому-либо телу, чтобы не сделать открытия". Среди массы выделенных Шееле новых соединений и элементов – мышьяковистая кислота (H3AsO4), мышьяковистый водород (арсин AsH3), синильная кислота (водный раствор циановодорода HCN) и плавиковая кислота (водный раствор фтороводорода HF). Эти четыре соединения исключительно ядовиты, можно предположить, что Шееле в соответствии с требованиями своего времени пытался определить их вкус и запах. Точно не установлено, от чего именно погиб Шееле в возрасте 44 лет, но полагают, что от действия синильной кислоты.
Именно Шееле предположил, что в плавиковой кислоте содержится новый химический элемент. Предположение оказалось правильным – это был элемент фтор, но выделить его было чрезвычайно трудно. Дело в том, что фтороводород HF, из которого пытались получить фтор, очень ядовит, к тому же он разрушает многие материалы, в том числе и стекло. Сам фтор тоже ядовит и к тому же исключительно реакционноспособен – при соприкосновении с ним многие элементы воспламеняются, он может реагировать даже с благородными металлами и инертными газами. История получения фтора связана с драматическими и трагическими событиями.
При первых попытках получить фтор использовали химические реакции. Наиболее простой способ – термическое разложение различных фторидов – например, ртути (HgF2), кобальта (CoF3), свинца (PbF4). Последнее из упомянутых соединений легче всего выделяет элементарный фтор при нагревании: PbF4 = PbF4 + F2. Во время таких опытов пострадали два члена Ирландской академии – братья Георг и Томас Нокс. Георг стал инвалидом, а Томас Нокс скончался. Такая же участь постигла французского химика Дж. Никлеса и бельгийского химика П. Лайета.
Французский естествоиспытатель А. М. Ампер (1775–1836) предположил, что фтор можно получить, разлагая содержащие фтор соединения, электрическим током, то есть электролизом. Именно так незадолго до этого получил хлор английский химик Гемфри Дэви (1778–1829). Естественно, Дэви принял совет Ампера и стал проводить электролиз плавиковой кислоты (напомним, что это водный раствор HF). Результат был неудачен, поскольку плавиковая кислота разрушала прибор, в котором проводился электролиз. Кроме того, Дэви сильно отравился, надышавшись парами этой кислоты. Первооткрыватели сталкивались со многим опасностями – и это были не только токсичные вещества. В результате экспериментов в лабораториях появлялись и другие соединения, угрожающие жизни, самовозгорающиеся и взрывчатые.
Дэви был энергичным и азартным исследователем. Одно из самых ярких его достижений – получение двух новых элементов: металлических калия и натрия электролизом расплавленных солей. В одном из экспериментов при попадании металлического калия в воду произошел сильный взрыв, в результате у Дэви серьезно пострадал правый глаз.
Был и еще один взрыв. Дэви заинтересовался работами французского химика П. Л. Дюлонга, который синтезировал трихлорид азота NCl3. Это соединение взрывается от легкого сотрясения, и в результате Дюлонг лишился глаза и трех пальцев. Темпераментный Дэви, узнав о новом неустойчивом соединении, решил его получить – при этом он тоже пострадал от взрыва и оправился от полученных травм лишь через несколько месяцев. Все эти беды не могли остановить талантливого химика: в последующие годы он сумел получить электрохимическим способом элементы барий, кальций, стронций и литий.
Что интересно, за открытие новых элементов калия и натрия французское правительство во главе с Наполеоном наградило Дэви премией в 3000 франков, а также именной медалью – несмотря на то что в те времена Англия и Франция находились в состоянии войны. Война не помешала воздать должное заслугам ученого.
Вернемся к плавиковой кислоте, которая "не щадила" никого. При работе с ней двое французских химиков – Ж. Гей-Люссак (автор газовых законов, изучаемых в школьном курсе физики) и Л. Тенар – получили сильные ожоги. Эти двое молодых энтузиастов внимательно следили за новыми открытиями в химии. Сообщение о том, что английский химик Г. Дэви сумел получить щелочные металлы калий и натрий, послужило вдохновением для Гей-Люссака и Тенара, но они решили получать эти металлы не электролизом, как Дэви, а реакцией железных опилок с расплавленным гидроксидом калия (КОН) при высокой температуре. Поскольку образующийся металлический калий мог загореться на воздухе, реакцию проводили в закрытой емкости. Несколько раз происходили взрывы, в результате одного из них оба ученых едва не погибли, а Гей-Люссак провел в больнице около сорока дней.
Химики рисковали здоровьем буквально каждую минуту. Проведя ряд опытов с циановодородной кислотой (HCN), Гей-Люссак решил опубликовать полученные сведения. Кроме того, следовало также указать и вкус кислоты. К счастью, он был осторожен и попросил своего ассистента Т. Ж. Пелуза (ставшего впоследствии крупным химиком) принести морскую свинку. От одной капли на язык свинка погибла. Это не остановило исследователей, и, соблюдая осторожность, они продолжили изучение кислоты. При реакции с хлором было получено новое – тоже весьма токсичное – соединение хлорциан Cl-C≡N. Эти работы впоследствии легли в основу теории радикалов, которая некоторое время была общепринятой в органической химии.
Попытки выделить фтор при электролизе продолжались, при этом пострадали французский химик Эдмон Фреми и английский электрохимик Георг Гор. И все же в 1886 г. фтор удалось получить Анри Муассану, причем электрохимическим способом (давний совет Ампера оказался правильным). Когда Муассан докладывал Парижской академии наук о своем открытии, один его глаз был закрыт черной повязкой – "мстительный" фтор не мог не оставить о себе память.
Итак, насколько опасны сегодня упомянутые вещества фтор, плавиковая кислота, металлы калий и натрий? Газообразный фтор действительно агрессивен и ядовит, но опасности не представляет, поскольку он практически недоступен. Полученный в промышленных масштабах фтор используют в качестве фторирующего реагента при производстве различных фторсодержащих веществ. Зато если фтор входит в состав соединений, то он становится совершенно "безобидным" и часто весьма полезным. Метан, в котором атомы водорода частично или полностью замещены фтором (СF2H2, CF4), используют как хладагент (фреон) в холодильных установках. Фтор входит в состав полимера фторопласта – (CF2-CF2)n-, имеющего высокую теплостойкость и антифрикционные свойства (скользкого на ощупь). Из него изготавливают подшипники, не требующие дополнительной смазки, а также антипригарные покрытия сковородок – в быту он известен как тефлон. Фторсодержащие соли добавляют в некоторые зубные пасты для профилактики кариеса.
Применение плавиковой кислоты не очень разнообразно, главный потребитель – промышленность, производящая алюминий, который получают электролизом расплавленных солей. Лучше всего для этих целей подходит криолит Na3 [AlF6], но это очень редкий минерал, поэтому производство искусственного криолита осуществляется взаимодействием плавиковой кислоты, оксида алюминия (Al2O3) и соды (Na2CO3). Таким образом, одно из самых опасных и ядовитых веществ помогает получать один из самых распространенных металлов.
Плавиковая кислота незаменима для нанесения узоров на стекло. Для этого поверхность стекла покрывают парафином, а затем прорисовывают контуры, удаляя в нужных местах парафин. При действии водного раствора кислоты получается прозрачный узор, а при действии газообразного HF – матовый. Кроме того, кислоту используют для травления поверхности элементарного кремния, используемого в микросхемах компьютеров. Хранят кислоту в полиэтиленовых емкостях. Отравления и ожоги плавиковой кислотой ушли в прошлое, ее токсичность хорошо известна, и соблюдение элементарных правил позволяет организовать безопасное производство.
Не менее успешно используют в современных технологиях металлические натрий и калий. Прежде всего это сплав калия с натрием, который представляет собой подвижную жидкость, не замерзающую вплоть до –12,6 ℃ и закипающую только при 785 ℃. Это позволяет использовать такой сплав в ядерных реакторах в качестве эффективного теплоносителя с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Естественно, требуется внимательно следить за герметичностью всей системы, ведь при попадании сплава на воздух произойдет мгновенное возгорание.
Металлический натрий присутствует в виде паров в газоразрядных лампах, дающих яркий желтый цвет, – их используют при освещении улиц и автотрасс. Такие лампы особенно эффективны в условиях тумана, и, кроме того, у них высокая светоотдача и большой срок службы (свыше 28 000 часов).
Оба щелочных металла постоянно используются в качестве восстановителей при проведении различных химических реакций. Даже не приходится говорить о том, сколь распространены химические соединения этих элементов в быту, поскольку нам всем знакомы поваренная соль NaCl и сода Na2CO3.
Вернемся к началу нашего рассказа и, обобщая все изложенное, воздадим должное упорству и самоотверженности исследователей. Рискуя здоровьем, а иногда и жизнью, ученые смело входили в неизведанную область, что в итоге привело к получению веществ, успешно используемых в наши дни.
