Илья Леенсон - Удивительная химия

Современные достижения аналитической химии позволяют преодолеть эти трудности. Химики разработали ряд простых тестов, позволяющих быстро определять концентрацию глюкозы в крови или в моче. В одном из самых простых тестов каплю мочи наносят на полоску бумаги, которая содержит четыре специальных реактива. В присутствии глюкозы идут реакции с образованием соединения, окрашенного в сине-фиолетовый цвет. По интенсивности окрашивания полоски можно приблизительно судить о концентрации глюкозы в моче (аналогичные тесты существуют и для определения глюкозы в крови). Для более точного определения концентрации глюкозы в поликлиниках используют специальный прибор — фотоэлектрический колориметр, измеряющий интенсивность окраски.

В последние годы химики-аналитики разработали более точный и простой по исполнению метод измерения. Больному достаточно иметь дома маленькую коробочку-глюкометр размером с микрокалькулятор, а также набор тест-полосок, чтобы самому в любое время определить содержание глюкозы в крови.

Вот как действует глюкометр. На тест-полоску — маленькую пластмассовую пластинку (рис. 4.1) нанесены два электрода — две тонкие серебряные полоски. В конце пластинки между электродами расположена миниатюрная реакционная камера, в которую заранее помещена смесь реактивов.

Перед проведением анализа тест-полоску вставляют в глюкометр, который автоматически включается, когда серебряные электроды коснутся электрических контактов внутри прибора.

Потом надо слегка уколоть палец (это самая неприятная часть процедуры, но к ней быстро привыкают, как и к мытью рук перед анализом), выдавить маленькую капельку крови и прикоснуться к ней кончиком тест-плоски. Под действием капиллярных сил — тех самых, которые заставляют подземные воды подниматься к верхушкам самых высоких деревьев, — капелька крови быстро засасывается через тонкий канал внутрь «реактора». В ходе химической реакции генерируется слабый электрический ток, который и измеряется глюкометром. Так как величина тока прямо пропорциональна концентрации глюкозы, на табло прибора высвечивается содержание глюкозы в крови — в миллимолях на литр (как показано на фотографии) или в старых единицах — «миллиграмм-процентах» (т. е. в миллиграммах глюкозы на 100 мл раствора; 1 ммоль/л = 18 мг%). Когда полоску вынимают из глюкометра, прибор сам отключается. Весь анализ занимает чуть больше минуты!

Конечно, глюкометр — довольно дорогой прибор. Да и одноразовые тест-полоски недешевы. Однако первые телевизоры и холодильники тоже стоили так дорого, что прохожие только дивились, глядя на эти чудеса техники, выставленные в витринах магазинов, и только очень состоятельные люди могли позволить себе такую роскошь…

Теория многих химических анализов проста и заключается в том, что вещества реагируют друг с другом в строго определенных соотношениях. Впервые это отчетливо понял и сформулировал в конце XVIII века немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер (1762–1807). В изданной в 1792 году книге он сформулировал такой закон: «Если мы получаем соединение из двух элементов, то, поскольку свойства элементов постоянны, один из элементов будет требовать всегда одного и того же количества другого элемента; так, например, если для растворения 2 частей извести требуется 5 частей соляной кислоты, то для растворения 6 частей извести потребуется 15 частей соляной кислоты… Если два нейтральных раствора смешиваются один с другим и если между ними происходит двойной обмен, то элементы должны находится между собой в определенных объемных соотношениях». Если учесть, что «двойной обмен» — это химическая реакция между двумя соединениями, а «элементом» Рихтер называл химическое соединение, то следует признать, что он сформулировал основной закон количественного анализа. Химикам оставалось только совершенствовать методы анализа и уточнять, в каких точно соотношениях и при каких условиях реагируют различные соединения.

Интересно (и совершенно невероятно для современного читателя) звучат поучения в книге Рихтера, касающиеся элементарной арифметики. Так, в вводной главе своей книги Рихтер объясняет химикам: «Если одно число прибавляется к другому, то между ними следует поместить знак «+» (который называется плюсом), если же мы хотим произвести вычитание, то между ними ставится знак «-» (который называется минусом). Например, 19 + 424 означает, что мы прибавляем 19 к 424, что дает 443; а запись 424-19 означает, что мы отнимаем 19 от 424, что дает 405». Сейчас это знают уже первоклассники (и даже некоторые дошкольники). Но не исключено, что двести лет назад встречались химики, не знавшие азов арифметики.

Проведем несколько опытов, иллюстрирующих химический анализ. В этих опытах мы будем добавлять к одному соединению другое, которое с ним реагирует, до тех пор пока первое соединение не израсходуется полностью. Как только это произойдет, добавление второго вещества надо прекратить. Тогда по известному количеству израсходованного реагента — второго вещества — можно рассчитать, сколько же было первого. Бывает и наоборот — по известному количеству первого вещества рассчитывают количество добавляемого реагента.

«А зачем это делать, — спросят некоторые из вас, — разве не проще взвесить анализируемое вещество или измерить его объем, если это жидкость?» Конечно, проще, если это чистое вещество или раствор известной концентрации. Но тогда и анализ проводить не надо. А если нам надо определить, сколько данного соединения содержится в сложной смеси, которую трудно или даже невозможно разделить на отдельные компоненты? Или сколько различных солей содержится в минеральной воде? Здесь-то и пригодятся различные аналитические методы.

Есть и другая проблема; как было сказано, второй реагент надо добавлять к анализируемой смеси до тех пор, пока реакция не закончится. А как это узнать? Для этого служат индикаторы (от латинского indicator — «указатель») — вещества, позволяющие следить за протеканием химической реакции. Индикаторы бывают разными. С некоторыми из них вы познакомитесь, проводя описанные здесь несложные эксперименты. Для этих экспериментов потребуются весы, пипетка и некоторые доступные химикаты. Мы начнем с анализа самой доступной в быту кислоты — уксусной.

Уксус — это слабый водный раствор уксусной кислоты. Уксус был известен еще в глубокой древности, так как получался при брожении слабых спиртовых растворов (пиво, слабое вино), содержащих не более 14 % спирта. Если такую жидкость оставить на воздухе, то она «скисает» и превращается в уксус. Это происходит потому, что в воздухе всегда имеются особые бактерии (их называют также «уксусным грибком»), которые, попадая в спиртовую жидкость, начинают в ней размножаться, при этом они перерабатывают спирт в уксусную кислоту. Предание гласит, что по приказу египетской царицы Клеопатры (69–30 до н. э.) в уксусе растворяли жемчужины, чтобы получать якобы целебный напиток. Само слово «уксус» происходит от греческого «оксос», что означает «кислый». Так что для древнего грека наше название «уксусная кислота» показалось бы весьма странным: ведь буквально оно значит «кислая кислота» (как «масло масленое»). На латыни уксус — acetum; отсюда произошло название солей уксусной кислоты — ацетаты (а также названия ацетона, ацетилена и многих других соединений).

Чистая уксусная кислота уже при 16 °C замерзает, образуя кристаллы, похожие на лед (поэтому такую кислоту называют «ледяной»). Для пищевых целей используют «уксусную эссенцию» — 80 %-ный раствор уксусной кислоты в воде. Это слишком крепкая и опасная в обращении жидкость, поэтому мы ее не будем использовать в опытах. Сравнительно безопасен столовый уксус — слабый (примерно от 5 до 10 %) водный раствор уксусной кислоты. С ним мы и проведем опыты, чтобы узнать поточнее, какова же его крепость.

Анализ будет основан на реакции уксусной кислоты с питьевой содой. Это — натриевая соль угольной кислоты (химическое название — гидрокарбонат натрия). В процессе реакции гидрокарбоната натрия с уксусной кислотой эти вещества обмениваются атомами натрия и водорода — в результате образуется натриевая соль уксусной кислоты (ацетат натрия) и свободная угольная кислота. Молекула угольной кислоты, в отличие от уксусной, очень непрочная и легко распадается на две молекулы — воды и углекислого газа. Вот почему если на соду капать кислотой (любой — не только уксусной), слышится шипение и смесь вспенивается — это выделяется углекислый газ. Он-то и будет в данном случае служить индикатором протекания реакции: как только пузырьки газа перестанут выделяться, значит, реакция закончилась и прибавление раствора уксусной кислоты надо прекратить. На этой химической реакции основано применение пекарских порошков.