Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена
Тепло и сыро
Поступающая в квартиры горожан водопроводная вода в принципе должна соответствовать требованиям специальных правил, разработанных специальными санитарными органами. Такую воду совершенно спокойно можно пить, однако во всех ли городах соблюдают эти правила? Очевидно, что нет, но теперь граждане имеют возможность дополнительно очищать свою воду прямо на кухне бытовыми фильтрами.
Эти фильтры можно разделить на два класса: встраиваемые в систему водопроводных труб и фильтры кувшинного типа, которые просто стоят на рабочем столе домашней хозяйки. Первые фильтры врезают в трубу, и они обеспечивают семью водой прямо из того же крана. Эти фильтры имеют различную конструкцию и стоимость, которая может достигать нескольких тысяч долларов. Но такие устройства являются уже некими самостоятельными агрегатами, требуют значительной площади для установки и предназначены скорее для очистки воды за городом, в коттедже. Фильтры кувшинного типа доступны практически всем получающим зарплату гражданам и конструкционно очень просты. Рабочим элементом фильтра являются гранулы адсорбентов различного состава, с добавкой или без добавки серебра, служащего для уничтожения микроорганизмов. Протекая через эти гранулы, помещенные в так называемый картридж (сменный элемент), вода очищается и обеззараживается. Все вроде бы хорошо, но за просто так ничего не бывает!
Фильтр не может работать бесконечно долго. Серебро покрывается разными отложениями и перестает действовать, адсорбент забивается примесями и также выходит из строя. Зато начинают прекрасно себя чувствовать зловредные бактерии. Ведь засорившийся фильтр представляет собой идеальное место для их размножения — здесь, как писал Максим Горький в своей «Песне о Соколе», тепло и сыро, есть пузырьки воздуха, масса органической пищи. Вышедший из строя фильтр из устройства для очистки превращается в бактериологическое оружие, этакий поставщик микроорганизмов в вашу воду. Так называемое биообрастание и является главной неприятностью для обладателей кувшинных фильтров.
Однако и способы предотвращения биообрастания совсем не сложны. Нужно только вовремя заменять картридж, а для того, чтобы не пропустить день замены, вести учет — ну там, новый картридж установлен, например, 30 февраля, значит, заменить его надо 32 мая. О периодичности замены обязательно указывается в инструкциях к бытовым фильтрам, но лучше все-таки и самим прикинуть, сколько воды прогнали через фильтр за месяц.
Дополнительная очистка питьевой воды с помощью фильтров является примером применения физико-химических методов обработки в мягких условиях, то есть при комнатной температуре и обычном давлении: происходит физическая адсорбция загрязнений, а кроме того, работает серебро, убивая бактерии. На разработку химических процессов, протекающих в таких условиях, направлены сейчас усилия большинства мирового химического сообщества.
Глава 19
«Зеленая» химия
После нескольких веков сжигания, сублимирования, плавления, обработки веществ жуткими по силе кислотами и щелочами, проведения реакций при адских давлениях и температурах химия подошла к идее жить в мире с природой и попытаться ей подражать. Не секрет, что одними из самых опасных загрязнителей природы стали химические предприятия и химические вещества, миллионами тонн выпускаемые промышленностью, а потом отравляющие атмосферу и грунтовые воды на примитивных свалках. Но те же химики, что во многом породили эту отраву, оказались в состоянии сформулировать основные принципы «зеленой» химии, которая со временем должна занять место традиционной опасной «коричневой» химии.
Стратегия меняется
Сам термин «зеленая» химия придумали не зеленые, а химики, хотя и под воздействием пресловутых зеленых. Ничего не поделаешь, это название прижилось, стало почти официальным и его придется использовать, хотя к большей части деятельности зеленых у научного сообщества накопилось огромное количество претензий.
Главная задача «зеленых» химиков — найти такие пути производства необходимых соединений, чтобы в результате не происходило загрязнение окружающей среды продуктами «коричневой» химии. Конечно, можно задачу решить иначе — уничтожить эти вредные продукты, но «зеленая» химия предполагает не уничтожение, а прекращение их производства. Это означает, что придется искать иные способы получения полимеров, строительных материалов, красок и прочих товаров бытовой и промышленной химии. Саму задачу синтеза нового вещества придется ставить иначе.
Вот простейший пример непродуманного решения. Требуется получить новый краситель красного цвета. Химик-органик отлично знает, как это сделать, — он придумает, а потом и проведет синтез ароматического соединения с определенными заместителями, которые обеспечат поглощения света этим соединением в красной области спектра. Все отлично, уже построили цех по производству нового красителя и начали окрашивать им футболки и флаги для съездов КПРФ. Но через некоторое время — совсем не сразу — обнаруживается, что это вещество является сильным канцерогеном. Какие уж тут футболки!
И это не умозрительная схема. Подобных неприятных, часто трагических историй известно много. Классический пример — выпуск прекрасного болеутоляющего средства для беременных талидомида (о нем рассказано подробно в главе 3). Другое болеутоляющее средство было названо героином — после приема этого полусинтетического вещества у человека заметно повышался болевой порог, героин можно было использовать как анестезирующее средство. А первоначально героин, этот страшный наркотик, использовался как средство против кашля!
Пожалуй, важнейшая проблема, которая стоит перед «зеленой» химией уже много десятилетий и которую решить никак не удается, — это фиксация азота, процесс связывания атмосферного азота в усвояемую полезными растениями форму. Азот воздуха — чрезвычайно инертный газ, для перевода его в аммиак (растворимое соединение) химики построили огромные колонны, в которых при высоких давлениях и температурах с использованием катализаторов протекает реакция соединения азота с водородом:
N2 + 3H2 = 2NH3
Жуткое, сложное производство! А микроб азотобактер, проживающий на корнях бобовых, переводит азот в усвояемую форму при обычных атмосферных условиях. И хотя прошло уже более 50 лет с тех пор, как отечественным ученым удалось-таки заставить азот перейти в растворимую форму при комнатной температуре, азотобактер догнать не удается. Кстати, аммиак — один из важных предметов отечественного экспорта.
В России необходимость перехода от традиционной к «зеленой» химии определяется еще и особым географическим положением страны. Половина территории нашей страны расположена в зоне вечной мерзлоты, огромные металлургические и нефтедобывающие предприятия находятся за полярным кругом. Отходы этих предприятий особенно опасны, но и весьма стабильны при низких температурах. Безотходное производство, а это один из принципов «зеленой» химии, — единственный способ предотвратить превращение Арктики в мертвую зону.
Одним из важнейших процессов, использующихся сейчас в «зеленой» химии, является реакция метатезиса (перестановки), в которой происходит разрыв двойной связи между атомами углерода и некоторая группа атомов занимает другое место в молекуле. За подробное исследование этой реакции в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В своем пресс-релизе Шведская академия наук уподобляет метатезис танцу, в котором танцующая пара меняет своих партнеров. Как и в танце, такой процесс требует вмешательства третьих лиц, которыми в данном случае являются молибденовые и вольфрамовые катализаторы, а также промышленные рутениевые катализаторы.
Сейчас с помощью реакций метатезиса производят массу фармацевтических препаратов и полимеров. Благодаря исследованиям лауреатов этой Нобелевской премии, процессы перестановки становятся более эффективными, уменьшается количество вредных отходов, не требуется использование высоких температур, давления и опасных для окружающей среды реагентов.
Золото без философского камня
Другим примером модной «зеленой» химии является получение микроскопических частиц золота (наночастиц) при восстановлении солей благородного металла — чем бы вы думали? — черным чаем сорта «Дарджилинг». Вообще-то изобретатели этого метода неоригинальны: в Средние века алхимики напряженно трудились над получением золота из ртути, а королевские лекари истирали золото в порошок и затем использовали его как лекарство для царственных особ. Хотя, конечно, частицы того порошка не достигали наноразмеров.
