Лев Власов - Занимательно о химии

Возьмем самый простейший из углеводородов, метан СН4. Что получится, если атомы водорода в метане заместить на атомы кислорода? Углекислый газ CO2. А если на атомы серы? Легколетучая ядовитая жидкость, сернистый углерод CS2. Ну, а если мы заместим все атомы водорода на атомы хлора? Тоже получим известное вещество: четыреххлористый углерод. А если вместо хлора взять фтор?

На этот вопрос еще три десятка лет назад мало кто мог ответить что-либо вразумительное. Однако в наше время занимается фтороуглеродистыми соединениями уже самостоятельный раздел химии.

По своим физическим свойствам фтороуглероды — почти полные аналоги углеводородов. Но на этом их общие свойства и заканчиваются. Фтороуглероды в отличие от углеводородов оказались крайне реакционнонеспособными веществами. Кроме этого, они в высшей степени устойчивы к нагреванию. Недаром их иногда называют веществами, обладающими «алмазным сердцем и шкурой носорога».

Химическая суть их устойчивости по сравнению с углеводородами (да и другими классами органических соединений) относительно проста. Атомы фтора имеют значительно больший, чем у водорода, размер, а потому плотно «закрывают» доступ другим реакционноспособным атомам к атомам углерода, которые окружают.

С другой стороны, атомы фтора, превратившиеся в ионы, крайне трудно отдают свой электрон и «не хотят» вступать в реакцию с какими-либо другими атомами. Ведь фтор — самый активный из неметаллов, и практически никакой другой неметалл не может окислить его ион (отобрать у его иона электрон). Да и связь углерод — углерод устойчива сама по себе (вспомните алмаз).

Именно в силу своей инертности фтороуглероды и нашли самое широкое применение. Например, пластмасса из фтороуглеродов, так называемый тефлон, устойчива при нагревании до 300 градусов, она не поддается действию серной, азотной, соляной и других кислот. На нее не действуют кипящие щелочи, она не растворяется во всех известных органических и неорганических растворителях.

Фторопласт недаром называют иногда «органической платиной», потому что он изумительный материал для изготовления посуды для химических лабораторий, разнообразной промышленной химической аппаратуры, труб всевозможного назначения. Поверьте, очень многие вещи в мире делались бы из платины, не будь она так дорога. Фторопласт же сравнительно дешев.

Из всех известных в мире веществ фторопласт самое скользкое. Пленка из фторопласта, брошенная на стол, буквально «стекает» на пол. Подшипники из фторопласта практически не нуждаются в смазке. Фторопласт, наконец, чудесный диэлектрик, притом чрезвычайно теплостойкий. Изоляция из фторопласта выдерживает нагрев до 400 градусов (выше температуры плавления свинца!).

Таков фторопласт — один из самых удивительных искусственных материалов, созданных человеком.

Жидкие фтороуглероды негорючи и не замерзают до очень низких температур.

Два элемента в природе могут претендовать на особое положение. Во-первых, углерод. Он основа всего живого. И в первую очередь потому, что углеродные атомы способны прочно соединяться друг с другом, образуя цепеобразные соединения:

Во-вторых, кремний. Он основа всей неорганической природы. Но атомы кремния не могут образовать столь длинных цепочек, как атомы углерода, а потому соединений кремния, встречающихся в природе меньше, чем соединений углерода, хотя и значительно больше, чем соединений любых других химических элементов.

Ученые решили «исправить» этот недостаток кремния. В самом деле, ведь кремний так же четырехвалентен, как и углерод. Правда, связь между атомами углерода значительно прочнее, чем между атомами кремния. Но зато кремний не такой активный элемент.

И если бы удалось получить с его участием соединения, подобные органическим, какими удивительными свойствами они могли бы обладать!

Сначала ученым не повезло. Правда, было доказано, что кремний может образовывать соединения, в которых его атомы чередуются с атомами кислорода:

Однако они оказались малоустойчивыми.

Успех пришел, когда атомы кремния решили совместить с атомами углерода. Такие соединения, получившие название кремнийорганических, или силиконов, действительно обладают рядом уникальных свойств. На их основе были созданы различные смолы, позволяющие получать пластические массы, устойчивые в течение длительного времени к действию высоких температур.

Каучуки, изготовленные на основе кремнийорганических полимеров, обладают ценнейшими качествами, например теплостойкостью. Некоторые сорта силиконовой резины устойчивы до температуры в 350 градусов. Представьте себе автомобильную покрышку, сделанную из такой резины.

Силиконовые каучуки совершенно не набухают в органических растворителях. Из них стали изготовлять различные трубопроводы для перекачки горючего.

Некоторые силиконовые жидкости и смолы почти не меняют вязкость в широком интервале температур. Это открыло им дорогу для применения в качестве смазочных материалов. Вследствие малой летучести и высокой температуры кипения силиконовые жидкости нашли широкое применение в насосах для получения высокого вакуума.

Кремнийорганические соединения обладают водоотталкивающими свойствами, и это ценное качество было учтено. Их стали использовать при изготовлении водоотталкивающей ткани. Но дело не только в тканях. Известна пословица «вода камень точит». На строительстве важных сооружений опробовали защиту строительных материалов различными кремнийорганическими жидкостями. Опыты прошли успешно.

На основе силиконов в последнее время были созданы прочные температуростойкие эмали. Пластинки меди или железа, покрытые такими эмалями, в течение нескольких часов выдерживают нагревание до 800 градусов.

И это лишь начало своеобразного союза углерода и кремния. Но такой «двойственный» союз уже не удовлетворяет химиков. Они поставили задачу ввести в молекулы кремнийорганических соединений и другие элементы, такие, как, например, алюминий, титан, бор. Ученые успешно разрешили проблему. Так родился совершенно новый класс веществ — полиорганометаллосилоксаны. В цепочках таких полимеров могут быть разные звенья: кремний — кислород — алюминий, кремний — кислород — титан, кремний — кислород — бор и другие. Подобные вещества плавятся при температурах 500–600 градусов и в этом смысле составляют конкуренцию многим металлам и сплавам.

В литературе как-то промелькнуло сообщение, что японским ученым будто бы удалось создать полимерный материал, выдерживающий нагрев до 2000 градусов. Возможно, это ошибка, но ошибка, которая не так уж далека от истины. Ибо термин «жаростойкие полимеры» уже скоро должен войти в длинный перечень новых материалов современной техники.

Устроены эти сита довольно оригинально. Они представляют собой гигантские органические молекулы, обладающие рядом интересных свойств.

Во-первых, как и многие пластмассы, они нерастворимы в воде и органических растворителях. А во-вторых, в них входят так называемые ионогенные группы, то есть группы, которые в растворителе (в частности в воде) могут давать те или иные ионы. Таким образом, эти соединения относятся к классу электролитов.

Ион водорода в них может замещаться каким-нибудь металлом. Так происходит обмен ионов.

Эти своеобразные соединения получили название ионообменников. Те из них, что способны взаимодействовать с катионами (положительно заряженными ионами), называют катионитами, а те, которые взаимодействуют с отрицательно заряженными ионами, именуют анионитами. Первые органические ионообменники были синтезированы в середине 30-х годов нашего столетия. И сразу же завоевали самое широкое признание. Да это и не удивительно. Ведь с помощью ионообменников можно превращать жесткую воду в мягкую, соленую — в пресную.

Представьте себе две колонки — одна из них наполнена катионитом, другая — анионитом. Допустим, мы задались целью очистить воду, содержащую обычную поваренную соль. Мы пропускаем воду сначала через катионит. В нем все ионы натрия «обменяются» на ионы водорода, и в нашей воде вместо хлористого натрия будет уже присутствовать соляная кислота. Затем мы пропускаем воду через анионит. Если он находится в гидроксильной форме (то есть анионами, способными к обмену, у него являются ионы гидроксила), все ионы хлора будут заменены в растворе ионами гидроксила. Ну, а ионы гидроксила со свободными ионами водорода немедленно образуют молекулы воды. Таким образом, вода, содержавшая первоначально хлористый натрий, пройдя через ионообменные колонки, стала совершенно обессоленной. По своим качествам она может поспорить с лучшей дистиллированной водой.