Удивительный мир органической химии

15.1. Злые силы

Подавляющее большинство органических веществ, о которых вы прочли в этой книге, верно служат людям. Они являются источниками разнообразных и необходимых для человека продуктов. Трудно переоценить роль органической химии в жизни современных людей. Она дает людям одежду и обувь, лекарства и красители, полимерные материалы, разнообразные предметы быта и многое другое.

Но, к сожалению, органическая химия — не только друг. Иногда случается и так, что человек из химии созидающей превращает ее в химию разрушающую. Она становится врагом для человека. При этом одно и то же вещество может оказаться с двумя лицами: по-доброму служить человеку и одновременно может быть направлено против него. Примером может служить хорошо знакомый нам нитроглицерин (тринитрат глицерина). Эта тяжелая бесцветная жидкость обладает чрезвычайно опасным свойством: мгновенно взрывается от трения, удара или нагревания. Нитроглицерин впервые получил в 1847 г. итальянский химик Асканио Собреро (1812-1880), действуя на глицерин азотной кислотой. Оказалось, что из всех бризантных взрывчатых веществ (веществ дробящего действия) нитроглицерин — самое сильное и опасное. Применять нитроглицерин в свободном виде нельзя. И все же во время Крымской войны (1853-1856) Н. Н. Зинин решил использовать это вещество в военных целях. Подводные мины заполняли нитроглицерином и взрывали их на расстоянии электрическим током. Эти взрывы были огромной мощности. Однако мины иногда взрывались случайно и служили причиной гибели русских солдат и матросов.

«Приручить» нитроглицерин взялся шведский инженер Альфред Бернард Нобель (1833-1896). Поводом для такой опасной работы послужил взрыв, при котором погиб его старший брат Эмиль. Однажды А. Нобель заметил, что капли нитроглицерина, вытекающие из поврежденной канистры, хорошо впитывались кизельгуром (тонкопористой осадочной породой). Этот минерал адсорбировал нитроглицерин как губка. Несмотря на то что она впитала трехкратное количество нитроглицерина, оставалась практически сухой. Но самое удивительное было в том, что впитанный нитроглицерин оказался невзрывоопасным. Так, в 1867 г. было получено вещество, которое А. Нобель назвал динамитом. Следовательно, динамит — это нитроглицерин с наполнителем. Оставаясь источником огромной разрушительной силы, динамит в то же время является сравнительно безопасным продуктом. Он удобен в обращении, так как взрывается только от капсюля-детонатора.

Динамит обычно применяют при прокладке туннелей, в горном деле и в строительстве. Для подземных работ очень важным оказалось то, что при взрыве динамита не образуется токсичный оксид углерода (II):

И все же из-за высокой чувствительности к взрыву и токсичности производство динамита в СССР было прекращено в начале 60-х гг. XX в.

Конечно, снаряды и мины динамитом не начиняют, но нитроглицериновый порох (баллистит) использовали во время Первой и Второй мировых войн. Применяют его и сейчас.

На производстве динамита А. Нобель нажил огромное состояние. Умирая, он распорядился создать из этого состояния специальный фонд для премирования выдающихся работ в области физики, химии, медицины и физиологии, экономики, а также за литературные произведения, за деятельность по укреплению мира. Эти ежегодные премии называются Нобелевскими и являются высшими международными наградами.

Итак, нитроглицерин — разрушительная сила. В то же время это вещество является незаменимым лекарственным средством. Оно эффективно помогает при острых сердечных приступах, связанных со спазмом коронарных сосудов сердца (стенокардией). Нитроглицерин спасает ежегодно в мире миллионы человеческих жизней.

В военных целях используют тротил, или тол (2,4,6-тринитротолуол), получают его нитрованием толуола. Тротил малочувствителен к удару, трению и даже к горению, но взрывается при детонации (от запала). Изготавливают тротил обычно в виде шашек (внешне напоминающих куски хозяйственного мыла). Используют тротил для снаряжения боеприпасов (снарядов, мин, авиабомб) и для взрывных работ. Производство тротила в годы Второй мировой войны превысило 1 млн т. Тротил выступает в качестве тротилового коэффициента для энергетической характеристики ящерного и термоядерного заряда.

В 1771 г. П. Вульф, действуя азотной кислотой на индиго, получил пикриновую кислоту. Известно, что эта жидкость желтого цвета использовалась как краситель для шелка и шерсти. Позже установили, что пикриновая кислота — это тринитрофенол. Ровно через сто лет эта кислота «обнаружила» свои коварные свойства: она могла взрываться. О взрыве красильной фабрики в 1887 г. недалеко от Манчестера мы уже говорили. Учитывая взрывчатые свойства, французский инженер 3. Тюрпен на основе этой кислоты создал взрывчатое вещество (с добавкой 2-3% тринитрокрезола), которое в разных странах называлось по-разному: милинит (Россия, Франция), луддит (Англия), шимоза (Япония).

Одним из мощных бризантных взрывчатых веществ является гексоген. Он получается при нитровании гексаметилентетрамина (уротропина):

Гексоген применяется для снаряжения боеприпасов. Инициатором взрыва служит взрыватель. В последнее время гексоген на вооружение взяли террористы и банды различных наемников.

Во второй половине XIX в. химики многих стран начали исследования по замене черного дымного пороха на бездымный. Дело в том, что обычный черный порох давал много дыма при стрельбе и тем самым демаскировал стреляющих, уменьшал видимость на поле боя, а сажа загрязняла пушки и стрелковое оружие. Но история бездымного пороха началась несколько раньше. Так, в первой половине XIX в. была получена нитроцеллюлоза, которая, как известно, представляет собой эфир целлюлозы и азотной кислоты:

В зависимости от количества нитрогрупп в молекуле нитроцеллюлозы различают коллоксилин (низконитрованная целлюлоза) и пироксилин (вы-соконитрованная целлюлоза). Было обнаружено, что пироксилин в несколько раз превосходит по мощности взрыва черный порох. Однако многие попытки применять его для стрельбы заканчивались неудачей. Получаемый пироксилин был неоднороден и горел с непостоянной скоростью, а при прессовании часто взрывался. И только в 1884 г. было получено французским химиком Ж. Вьелем монолитное вещество на основе пироксилина. Это был первый бездымный порох. Он почти на 90% состоял из массы, которая образуется при набухании пироксилина в смеси этилового эфира и этилового спирта. Образующуюся студенистую массу можно было прессовать и готовить из нее ленты или пластины, а потом их сушить. При этом большая часть растворителя испаряется, а та, что остается, служит пластификатором. Такой порох сгорает с постоянной скоростью. Это обязательное требование к любому пороху. Пироксилиновый порох до сих пор применяют для стрелкового оружия.

Основой другого бездымного пороха — нитроглицеринового (баллистита) — также служит нитроцеллюлоза (56-57%), но в качестве пластификатора используют нитроглицерин. Впервые такой порох получил в 1888 г. А. Нобель. До сих пор этот порох используют не только в стрелковом оружии, но и в артиллерии и ракетных установках.

Производство пороха — очень сложный и небезопасный процесс. К основной, горючей части пороха вводят различные добавки. Одни из них (стабилизаторы) связывают продукты распада, препятствуя самопроизвольному разложению нитроцеллюлозы. Другие, например сульфат калия, уменьшают пламя при выстреле. Третьи (графит) служат для покрытия зерен пороха, чтобы при перемешивании они не электризовались.

Многие органические вещества используют в качестве боевых отравляющих веществ (БОВ). Это самое чудовищное изобретение химиков. Одним из БОВ является иприт, который вызывает поражение органов дыхания, кожи и глаз.

Иприт называют горчичным газом, так как в больших концентрациях он обладает запахом, напоминающим горчицу. Токсическая концентрация этого вещества в воздухе составляет всего 0,0001%. Иприт был получен в 1886 г. Тридцать лет это вещество не находило применения. Но летом 1917 г. при наступлении на реке Ипр (во Фландрии) немцы неожиданно для французов применили его на поле боя. Это страшное отравляющее вещество, которое принесло мучительную смерть тысячам солдат, было названо ипритом. Во время 1914-1918 гг. иприт использовался в артиллерийских снарядах, которые при разрывах заражали местность. За время Первой мировой войны было изготовлено 7 млн таких снарядов.

В 1915 г. в качестве отравляющего вещества был применен другой газ — фосген СОCl₂, Он стал причиной почти 80% всех смертельных случаев при отравлении газами в Первую мировую войну. Смертельная концентрация фосгена составляет около 1 мг/л. Он в 6 раз более ядовит, чем хлор. Причиной такой токсичности является то, что в легких он гидролизуется с образованием хлороводорода, который действует разъедающе:

Фосгеном снаряжали снаряды и авиабомбы. За период Первой мировой войны из 150 тыс. т всех отравляющих веществ на долю фосгена приходилось около 40 тыс. т.

Следует сказать о том, что могучим «противоядием» против отравляющих газов был противогаз Зелинского. В качестве поглотителя газов служил активированный уголь, помещенный в специальную коробку, которая соединялась с резиновой маской, герметически облегающей лицо. Эту маску разработал русский инженер Э. Л. Куммант. Противогаз Зелинского в течение 1916-1917 гг. спас жизнь миллионам русских людей. Во Вторую мировую войну немцы не развязали химическую войну не только потому, что боялись ответного химического удара, но и потому, что против всех имеющихся тогда отравляющих газов существовала надежная защита — противогаз Зелинского.

Много бед и страданий принесли БОВ, содержащие мышьяк. Это — люизит и адамсит (дифениламинохлорарсин).

Эти соединения, как и иприт, относятся к кожно-нарывным БОВ, но обладают более быстрым действием. Люизит был синтезирован в конце Первой мировой войны и, к счастью, не применялся в военных действиях. В то же время адамсит использовался американской армией во Вьетнаме.

Среди фосфорорганических соединений давно известны сильнейшие нервно-паралитические яды — табун, зарин и зоман.

При их действии на организм нарушается сердечная деятельность, и человек умирает. Смертельная концентрация табуна составляет 0,4 мг/л при минутном воздействии, зарина — 0,07-0,2 мг/л, а зомана — около 0,015 мг/л. Во время Второй мировой войны фашисты начали производство этих веществ в больших количествах и готовились их использовать. Только стремительное наступление Советской Армии сорвало эти замыслы.

К БОВ относятся и слезоточивые газы — лакриматоры. Таким веществом является, например, а-хлорацетофенон ClСН₂СОС₆Н₅. Это очень сильное слезоточивое вещество. Его действие проявляется уже при концентрации 0,0003 мг/л. Среди других веществ с аналогичным действием можно назвать α-бромацетофенон, хлорацетон, бензилхлорид и др. Слезоточивые газы используют в основном при разгонах демонстраций, шествий, митингов протеста и т. д. Этим БОВ вооружены в основном полиция и войска внутренней безопасности.

Против человека используют даже гербициды. Так, для борьбы с партизанами американская армия применяла во Вьетнаме гербициды, приводящие к опадению листвы на огромных лесных массивах. Такими веществами (дефолиантами) были главным образом бутиловые эфиры 2,4-дихлор- и 2,4,6-трихлорфеноксиуксусных кислот, известные под названием «эйджент оранж».

Жестоким оружием уничтожения является напалм. Это смесь алюминиевых солей циклогексановых и алифатических кислот, суспендированных в бензине. Название «напалм» связано с натрием, который инициирует горение, а среди карбоновых кислот преобладает пальмитиновая кислота. Огонь, вызванный напалмом, невозможно погасить водой. Напалм применяют в зажигательных бомбах и огнеметах.

В органической химии есть вещества, которые вызывают неизлечимую пока болезнь — рак. Установлено, что злокачественные заболевания связаны с определенными сбоями в работе иммунной системы организма. Однако известно, что некоторые вещества, называемые канцерогенами, непосредственно вызывают злокачественное перерождение клетки. К таким веществам относятся:

Другими не менее опасными канцерогенами являются бензол, ксилолы, этиленоксид и некоторые хлорпроизводные — тетрахлорметан, трихлорэтилен, винил хлорид и др.

Однако уничтожить человека можно не только боевыми отравляющими веществами, не только соединениями, которые вызывают у него раковые заболевания, и даже не снарядами и минами. Это можно сделать бескровно, с помощью, казалось бы, не таких уж и страшных веществ. Главное — приучить человека к болезненной зависимости от этих веществ, вызвать пристрастие к ним. К таким веществам относятся, например, табак, алкоголь и наркотики. В состав табачного дыма входит свыше двухсот соединений, среди которых не только известный всем никотин, но и бензпирен и другие ПАУ. Содержатся в нем и цианиды. Табачный дым вызывает различные заболевания. Самыми опасными являются рак легких, гортани, пищевода и желудка. По международным статистическим данным, ежегодно от курения погибают 3 млн человек. Это больше, чем в авиа- и автокатастрофах. О вреде алкоголя мы уже говорили в разделе, посвященном спиртам.

Большинство наркотиков — вещества природного происхождения (алкалоиды) или вещества, которые по строению близки к ним. Вводя такое вещество регулярно в организм, человек привыкает к нему и уже не может без него обойтись. Наступает психологическая зависимость — один из характерных признаков наркомании. Привыкая к наркотику, человек требует все новые и новые его порции. Поскольку цена наркотика высокая, наркоман старается приобрести его любой ценой, даже ценой преступления. Однако наркомания опасна и с другой стороны. Кроме психологической зависимости, возникает и физическая зависимость. Это означает, что человек уже физически не может обойтись без наркотика. Если он не вводится в организм, то человек чувствует себя все хуже и хуже. Со временем, чтобы достичь прежних ощущений, наркоману требуются все большие дозы наркотика. Нередки случаи смерти среди наркоманов, особенно молодежи, от передозировки этого «снадобья». Особенно опасны синтетические наркотики, получаемые в лаборатории. Они способны вызвать зависимость даже после однократного употребления. К ним относятся героин, метадон, первитин, LSD, амфетамины и др.

К сожалению, возникшую зависимость практически невозможно ликвидировать, можно лишь на время снизить пристрастие к этим веществам. Организм навсегда теряет способность к обычному, природному функционированию. Из наркоманов практически никто не возвращается к нормальной, здоровой жизни. Наркомания — добровольное рабство, добровольный отказ от жизни. Средняя продолжительность жизни наркоманов — около 5 лет (считая с первой порции наркотика). Они умирают от передозировки или просто потому, что человеческий организм не способен выдержать столько ядовитых веществ...

15.2. Земля должна быть чистой

Органическая химия является богатым источником разнообразных и необходимых для человека веществ, но, к сожалению, она может стать и источником загрязнения биосферы.

Газ, нефть и уголь — сегодня основные источники энергии. Человечество ежегодно сжигает 7 млрд т топлива, расходуя на это более 10 млрд т кислорода. В результате в атмосферу попадает 14 млрд т оксида углерода (II). Ученые подсчитали, что к 2020 г. из атмосферы исчезнет около 12 000 млрд т кислорода, что составляет 0,77% всего кислорода планеты. Это может серьезно изменить климат Земли.

Знаете ли вы, что такое парниковый эффект? Он связан с тем, что молекулы СO₂ пропускают на Землю солнечное излучение, но задерживают инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью. В результате повышается температура планеты.

Огромнейший вред наносят выхлопные газы автомобилей. Если собрать все вредные вещества, содержащиеся в этих газах (оксиды углерода, несгоревшие углеводороды, оксиды азота, диоксид серы (II) и др.), то они превысят количество вредных продуктов, уходящих через трубы в атмосферу всех ТЭЦ, заводов, фабрик, бытовых объектов и т. д. А расход кислорода? Например, один маленький автомобиль «Москвич» за час работы способен сжечь столько кислорода, сколько вдыхает человек за 70 лет жизни. А если это не «Москвич», а современное «чудо» на четырех колесах? Вот во что обходятся человечеству автомобили, которые, кстати, «размножаются» во много раз быстрее людей. Не менее опасен с этой точки зрения и воздушный транспорт. Судите сами: чтобы пересечь страну с запада на восток, реактивный самолет Ил-86 «съедает» почти 60 т кислорода из атмосферы. Инверсионные следы, оставленные самолетом, увеличивают облачность и загрязняют атмосферу. Это, в свою очередь, снижает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли.

Вероятно, вы знаете о смертоносном тумане — смоге, опускающемся на крупные промышленные города. Смог опасен не только для людей: он оказывает существенное влияние и на климат местности в целом.

Атмосфера нашей планеты загрязняется не только при сгорании угля, нефти, бензина и т. д. Мы загрязняем нашу Землю многими органическими соединениями, которые, казалось бы, должны принести огромную пользу человечеству. Однако многие из них представляют для людей явную угрозу. Например, тетраэтилсвинец, который до недавнего времени широко использовался в качестве активной добавки в бензин, является высокотоксичным веществом. При сгорании этилированного бензина в атмосферу попадал свинец, отравляя ее.

Днем и ночью работают химические заводы, выбрасывая в воздух тысячи тонн вредных химических веществ. Среди них не только привычные оксиды азота и серы, которые во время дождя «падают» на горожан каплями азотной и серной кислот. Но еще большую опасность представляют органические соединения, не менее вредные и коварные. Это — бензол, толуол, метанол, формальдегид, стирол, фталевый ангидрид, нафталин и различные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

В последние годы при широком использовании аэрозольных и противопожарных устройств в атмосферу Земли попадают в огромных количествах различные фреоны (используемые обычно в качестве хладоагентов). В земной атмосфере, как предполагают некоторые ученые, они могут вступать в реакции с озоном, который «грудью» защищает Землю от смертоносных ультрафиолетовых лучей Солнца.

Огромный экологический ущерб наносит нашей планете расточительное и небрежное отношение к хранению, транспортировке нефти, горюче-смазочных материалов. Попадая в почву и грунтовые воды, они надолго загрязняют нашу Землю. Вдумайтесь в такой факт: ежегодно в Мировой океан попадает от 2 до 10 млн т нефти. Причина — катастрофы танкеров, перевозящих нефть. Не проходит и года, чтобы мы не стали свидетелями трагедии в море или океане. Вспомните трагедию танкера «Престиж» у берегов Испании. Вылитая в океан нефть — огромный экологический ущерб. Гибнет все живое вокруг. Литр вылитой нефти лишает кислорода, столь необходимого морским обитателям, 40 тыс. л морской воды, а тонна нефти загрязняет 12 км водной поверхности. Нефть поступает в моря и океаны за счет промывки цистерн танкеров и сброса этой воды, а также за счет отбросов нефтехимических заводов, аварий буровых на море.

В моря и океаны попадает много опасных химических веществ — неорганических (свинец, ртуть, мышьяк, кадмий и др.) и органических (различные растворители, фенолы, детергенты, инсектициды и т. д.). Жак Ив Кусто — французский ученый-естествоиспытатель и исследователь морских глубин — писал, что «море стало сточной ямой, куда стекаются все загрязняющие вещества». А разве реки чище? В них ежегодно сливают миллиарды кубических метров сточных вод, из которых очистке подвергается в лучшем случае одна треть.

Недавно ученые сделали вывод, что разрушительное вмешательство человека в природу ведет к исчезновению видов растительного и животного мира такими же темпами и в таких масштабах, которые можно сравнить с последствиями катастрофы, происшедшей 65 млн лет назад, когда гигантский астероид столкнулся с Землей.

При работе многих химических заводов, целлюлозно-бумажных комбинатов при недостаточной очистке сточных вод в реки и озера могут попадать (и попадают!) различные химические отходы производства, наносящие непоправимый урон всему окружающему. Поэтому сейчас на предприятиях обязательно предусматривают очистные сооружения, которые позволяют осуществлять замкнутый цикл водоснабжения. Вода, содержащая примеси различных продуктов химического производства или их отходы, не сбрасывается в водоемы, реки или озера, а очищается и снова используется в производстве.

Многие химические заводы работают по системе безотходного производства: все отходы снова возвращаются на производство для получения из них ценных продуктов.

Органическая химия является авангардом химической науки. Уже сейчас она может творить чудеса. Еще более грандиозные задачи стоят перед ней завтра — синтез белка и искусственной пищи, получение высокоэффективных лекарственных препаратов, полимеров, обладающих ценными для человека свойствами.

Однако это возможно при совершенствовании технологических процессов, при соблюдении правил работы с химическими веществами. Разве виновата органическая химия в том, что происходит сегодня с биосферой Земли? Каждому ясно, что научно-технический прогресс остановить нельзя. Мы уже не сможем вернуться к первоначальному безвредному натуральному хозяйству. Слишком много еще на нашей планете голодных и раздетых людей. Накормить и одеть их может только развитие науки и техники. И в этом огромную роль будет играть органическая химия — химия соединений углерода.