Аркадий Курамшин - Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Большая часть хлора, производимая в настоящее время, используется синтетической органической химии — в превращениях с участием органических соединений хлор может принимать участие в реакциях, относящихся к трём основным механизмам.

Во-первых, это свободно-радикальное замещение — реакция, в ходе которой молекула хлора распадется на два радикала (чаще всего в результате фотохимической активации) и в результате всех превращений из основных компонентов нефти и природного газа — насыщенных углеводородов, получаются хлорпроизводные и хлороводород (который тоже находит своё применение).

Второй тип реакций хлора с органическими веществами — электрофильное присоединение хлора к двойным или тройным связям. Хлор, будучи электроотрицательным элементом, стремится туда, где много электронов (электрофильный — любящий электроны), а двойные и тройные связи богаты электронной плотностью. В результате присоединения тройная связь углеводорода превращается в двойную, а двойная — в одинарную, и образуется две новых связи углерод-хлор. Чаще всего присоединение хлора к кратным связям проводят в темноте, чтобы идущий на свету процесс замещения не добавлял побочных продуктов.

Третий тип реакции электрофильное замещение, протекающее при взаимодействии хлора с ароматическими углеводородами (также непосредственно встречающимися в составе нефти). В результате процесса, известного, как реакция Фриделя-Крафтса, получаются хлорпроизводные ароматических углеводородов и опять же хлороводород. Катализатором этой реакции являются хлорид алюминия или хлорид трехвалентного железа.

Области применения хлора многочисленны. Сотни и тысячи тонн хлора используют в целлюлозно-бумажном производстве, для получения хлорированных полимеров (наиболее известный из которых поливинилхлорид — ПВХ) и для получения органических растворителей — хлороформа, дихлорметана и дихлорэтана. Чуть меньшее количество хлора идет на получение красителей, лекарств, антисептиков и даже спичек и фейерверков. Луи Бертолле предложил применять в качестве окислителя пиротехнических составов хлорат калия (KClO 3), который мы сейчас называем «бертолетовой солью». В настоящее время и в пиротехнических составах, и для изготовления спичек применяют менее опасный и более богатый кислородом перхлорат (KClO 4), он же применялся как окислитель в разгонных реактивных двигателях американских шаттлов.

Ну и, конечно, наиболее известное применение хлора — отбеливающие и дезинфицирующие составы, а также обеззараживание питьевой воды и воды для закрытых и открытых бассейнов. Хлорировать питьевую воду начали в Лондоне после эпидемии холеры 1850 года. Тогда английский врач и основатель учения о гигиене Джон Сноу выяснил, что эпицентром заболевания является колодец в лондонском районе Сохо, воду в колодце обработали хлорной известью, и эпидемия пошла на убыль. Джон Сноу известен доведением до ума способа практического применения ещё одного производного хлора — хлороформа (CHCl 3). С помощью хлороформа и разработанного лично им ингалятора Сноу провел обезболивание родов хлороформом королеве Англии Виктории в 1853 и в 1857 годах.

Соединения хлора также применялись для изготовления аэрозольных баллончиков и холодильников. Пропеллантом («выталкивателем») вещества из баллона и хладагентом в системе холодильника выступали хлорфторуглеводороды, также известные как фреоны. Однако в 1974 году Марио Молина, Шервуд Роулэнд и Поль Крутцен показали, что продукты превращений фреонов в атмосфере, в первую очередь — радикалы хлора могут способствовать разрушению озонового слоя. В 1995 году Молина, Роуленд и Крутцен получили Нобелевскую премию по химии, а раньше этого, с января 1989 года начал действовать Монреальский протокол, запрещающий производство ряда хлорфторуглеводородов. С момента начала действия протокола прошло почти двадцать лет, и озоновый слой в приполярных регионах действительно начал восстанавливаться, однако, как показывают результаты исследований 2018 года, озоновый слой над крупными годами в умеренном и тропическом поясах не восстанавливается, а кое-где даже продолжает разрушаться, что, очевидно говорит о необходимости искать других виновных в образовании озоновых дыр помимо радикалов хлора.

18. Аргон

В Периодической системе только у тринадцати химических элементов символ содержит одну латинскую букву. Это водород, бор, углерод, азот, кислород, фтор, фосфор, сера, калий, ванадий, иттрий, йод и уран.

Несколько десятков лет к этому клубу относился и аргон, однако через шесть десятков лет после обнаружения аргона, в 1957 году Международный союз по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) решил, что однобуквенный символ для инертного газа (пусть и первого инертного газа, открытого человеком) — непозволительная роскошь и заменил символ аргона Ана привычный нам сейчас Ar. Правда, эта замена привела к другому казусу — в органической химии символом Ar (от aryl ) принято обозначать ароматические фрагменты. Часто бывает, что незнакомый с этим обычаем студент или школьник, открывая продвинутый учебник по органической химии, думает, что органики настолько всемогущи, что получили огромное количество соединений инертного аргона.

О богатых химических свойствах аргона говорить не приходится. В настоящее время известно только одно химическое соединение этого элемента — гидрофторид аргона (HArF). Оно было получено в 2000 году в группе финского химика Маркку Рясянена в университете Хельсинки. Исследователи при температуре −265 °C облучали ультрафиолетом смесь аргона и фтороводорода, находящихся на подложке из иодида цезия. Нагрев меньше, чем на десять градусов — до –256 °C приводит к разрушению гидрофторида аргона на аргон и фтороводород. Оно и понятно — название происходит от древнегреческого слова «аргос» — ленивый, медленный, неактивный, а о лени этого элемента можно судить по тому, что от его открытия до получения его соединения с другими элементами пошло более ста лет.

Аргон — самый распространенный благородный газ, именно поэтому он и был найден первым из элементов своего класса. На долю аргона приходится около 0.94 % атмосферы Земли и около 1.6 % атмосферы Марса. Разрежённая атмосфера Меркурия содержит до 70 % аргона. Если не учитывать пары воды, аргон третий по распространённости газ в земной атмосфере после азота и кислорода. Абсолютное его содержание в атмосфере Земли составляет сорок триллионов тонн. Это количество медленно возрастало по мере геологического старения Земли — практически весь аргон нашей атмосферы является результатом радиоактивного распада нуклида 40К, период полураспада которого составляет 12.7 миллиардов лет. Аргон был обнаружен в 1904 году в результате совместной работы физика Лорда Рэлея (Джона Уильяма Стретта) и химика Уильяма Рамзая, ставших в 1904 году лауреатами Нобелевских премий по физике и химии соответственно.