Юрий Кукушкин - Химия вокруг нас

Парафиновые свечи вначале были довольно дорогими, так как парафин извлекали при перегонке дегтя растительных веществ. Затем в Англии его начали добывать из торфа. Однако и в том и другом случае он получался лишь в небольших количествах. Коренное изменение произошло с налаживанием крупномасштабной переработки нефти. Сейчас — это один из наиболее доступных нефтехимических продуктов. Парафин — смесь предельных углеводородов C 18–C 35. Смесь предельных углеводородов C 36–C 55называют церезином. Современные свечи состоят из смеси парафина и церезина.

Приятно при свечах побеседовать с друзьями. Однако вряд ли кто согласится совсем отказаться от электрической лампочки в пользу свечей. Поэтому автор предлагает читателю обратить взгляд на современную лампочку накаливания и рассмотреть процессы, протекающие при ее работе. Каждый школьник знает, что лампочка состоит из герметического стеклянного баллона, в который введены держатели спирали, и из самой спирали. Спираль изготовлена из вольфрама — одного из наиболее тугоплавких металлов. Его температура плавления равна 3410°C. Кроме высокой тугоплавкости, вольфрам обладает еще одним очень важным свойством — высокой пластичностью. Из 1 кг вольфрама можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км, которой хватит на изготовление 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Держатель изготовлен из молибдена — элемента-аналога вольфрама. В периодической системе Д.И. Менделеева эти два элемента находятся в одной и той же подгруппе. Важнейшим свойством молибдена является малый коэффициент линейного расширения. При нагревании он увеличивается в размере так же, как и стекло. Поскольку при нагревании и охлаждении молибден и стекло изменяют размеры синхронно, последнее не трескается и потому не нарушается герметизация.

Известно, что интенсивность излучения тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры. Это следует из закона Стефана — Больцмана. Следовательно, повышение температуры вольфрамовой нити электрической лампочки всего на 100° с 2400 до 2500°C приводит к увеличению светового потока на 16%. Кроме того, с увеличением температуры в общем потоке излучения увеличивается доля видимого света. Это явление отражается законом Вина, т.е. с увеличением температуры нити накаливания растет светоотдача, а значит, увеличивается экономичность лампочки. Повышению температуры мешает разогревание стеклянного баллона и испарение нити. Снизить разогревание баллона можно созданием в нем вакуума. Этим путем уменьшается теплопроводность от нити до стекла. Однако в вакууме будет усиливаться испарение нити. Это будет приводить к ее утоньшению и в конце концов нить перегорит. Заполнение баллона инертным газом, например азотом, препятствует испарению нити и тем больше, чем тяжелее молекулы заполняющего газа. Оторвавшиеся от нити атомы вольфрама будут ударяться о молекулы газа, их путь до стенок баллона будет удлинен, а некоторые атомы могут вернуться к нити. Чем тяжелее молекулы заполняющего газа, тем больше они будут препятствовать испарению нити накаливания. Так, частичная замена азота на аргон позволяет увеличивать температуру вольфрамовой нити до 2600...2700°C. Полностью заменить азот на аргон нельзя, так как последний обладает сравнительно высокой электрической проводимостью и появится опасность возникновения электрической дуги между молибденовыми держателями. Еще лучше предохраняют вольфрамовую нить от разрушения более тяжелые благородные газы — криптон и ксенон. Они позволяют поднять температуру нити до 2800°C и снизить объем газового баллона. Заполнение ими ламп взамен аргона позволяет получить на 15% больше светоотдачу, увеличить вдвое срок службы нити накаливания и на 50% сократить объем баллона.

Для увеличения срока службы электрических ламп накаливания в баллон добавляют небольшое количество иода. Он выполняет роль собаки, охраняющей отару овец. В зоне с температурой приблизительно 1600°C иод взаимодействует с оторвавшимися от нити атомами вольфрама, переводя их в соединение WI 2. При хаотическом движении рано или поздно молекула иодида вольфрама (II) попадает в область более высоких температур, где она продиссоциирует в соответствии с уравнением

WI 2→ W + 2I

Таким образом, иод возвращает атомы вольфрама в зону, окружающую нить и, следовательно, препятствует ее испарению. В йодных лампах на стенках стеклянного баллона не бывает и следов темного налета металлического вольфрама. По этой причине светоотдача таких ламп со временем не снижается, а срок службы увеличивается.

Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению в организм практически всех химических элементов. Они повседневно вводятся в организм и выводятся из него. Анализы показали, что количество отдельных химических элементов и их соотношение в здоровом организме различных людей примерно одинаковы.

Мнение о том, что в организме человека можно обнаружить практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, становится привычным. Однако предположения ученых идут дальше — в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет какую-то биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов. Несомненно, время и труд ученых прольют свет и на этот вопрос.

Биоактивность отдельных химических элементов.Экспериментально установлено, что в организме человека металлы составляют около 3% (по массе). Это очень много. Если принять массу человека за 70 кг, то на долю металлов приходится 2,1 кг. По отдельным металлам масса распределяется следующим образом: кальций (1700 г), калий (250 г), натрий (70 г), магний (42 г), железо (5 г), цинк (3 г). Остальное приходится на микроэлементы. Если концентрация элемента в организме превышает 10 –2%, то его считают макроэлементом. Микроэлементы находятся в организме в концентрациях 10 –3...10 –5%. Если концентрация элемента ниже 10 –5%, то его считают ультрамикроэлементом. Неорганические вещества в живом организме находятся в различных формах. Большинство ионов металлов образуют соединения с биологическими объектами. Уже сегодня установлено, что многие ферменты (биологические катализаторы) содержат ионы металлов. Например, марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Естественно, что недостаток этих элементов должен сказаться на содержании соответствующих ферментов, а значит, и на нормальном функционировании организма. Таким образом, соли металлов совершенно необходимы для нормального функционирования живых организмов. Это подтвердили и опыты по бессолевой диете, которая применялась для кормления подопытных животных. Для этой цели многократным промыванием водой из пищи удаляли соли. Оказалось, что питание такой пищей приводило к гибели животных.