khimie.ru

С еще одной, причем довольно неожиданной, экологической проблемой столкнулся сотрудник Центра научного образования Кейптаунского университета (ЮАР) П. Э. Спаро. Одна из задач Центра состоит в помощи местным школам, которым требуется избавиться от старых химикатов. Такая работа может быть связана с серьезной опасностью; например, в некоторых давно хранящихся реактивах могут накапливаться взрывчатые вещества. Непросто утилизовать также запасы калия и других, очень активных щелочных металлов. В данном случае опасность была связана не со взрывом, а с отравлением, но Спаро нашел остроумный выход из положения. Что же произошло? Сотрудники Центра были несколько ошеломлены, когда получили для утилизации наполовину заполненную алюминиевую канистру с жидким сернистым газом. Как следовало из этикетки, она и содержала первоначально 500 г вещества. Ее металлическая завинчивающаяся крышка сильно проржавела и «примерзла» к канистре намертво. Было такое ощущение, что им подсунули для обезвреживания настоящую бомбу. Действительно, при атмосферном давлении SO₂ кипит при температуре минус 10 ºС. Но в Южной Африке жарко (Кейптаун находится примерно на широте Багдада, только в Южном полушарии), поэтому давление в канистре вполне могло превысить 5 атм (такое давление над жидким 50, достигается при 32 ºС). Начали думать, что можно предпринять. Предложения были самые интересные. Например, поставить канистру посреди футбольного поля и метким выстрелом пробить в ней дыру. Но ЮАР − не американский Дикий Запад середины XIX века, да и пускать тяжелый ядовитый газ в городскую атмосферу тоже не годится. Предельно допустимая концентрация SO₂ в атмосферном воздухе составляет 0,5 мг/м³, следовательно, содержимое канистры могло отравить около миллиона кубометров воздуха. И тут Спаро вспомнил, что сернистый газ хорошо растворяется в воде (115 г в литре воды при 20 ºС), образуя сернистую кислоту. В то же время воду в бассейнах (домашние бассейны в Кейптауне − не очень большая редкость) предписано обрабатывать для дезинфекции порошком гипохлорита кальция, который содержит так называемый активный хлор (гипохлорит кальция − один из компонентов хлорной извести). Чтобы вещество медленно выделяло хлор и было активным, необходимо, чтобы вода была чуть подкислена, то есть нужно поддерживать в ней достаточно низкий уровень рН. В кислой среде гипохлорит разлагается:

Са(ОС1)₂ + 2Н⁺ = Са²⁺ + С1₂О + Н₂О

Оксид Сl₂О, подобно хлору, обладает бактерицидным действием.

Итак, автор принес канистру домой, надел купальный костюм и маску и, держа в одной руке канистру, а в другой − тяжелый гаечный ключ, прыгнул в свой бассейн. Находясь под водой, он безуспешно пытался отвернуть пробку. При этом, как он вспоминает, за ним наблюдали двое: жена − очень волнуясь, а собака − с искренним интересом.

Отвернуть пробку так и не удалось. Но оказалось, что пустого места в канистре достаточно, чтобы она плавала на воде, и тут же возникла новая идея. Сернистый газ замерзает при температуре ниже −75,5 °С Почему бы не заморозить канистру (для этого можно использовать жидкий азот, температура которого равна −196 ºС), продырявить ее и бросить в воду − тогда жидкий сернистый газ, нагреваясь и испаряясь, будет постепенно растворяться в воде бассейна. Чтобы снизить расход жидкого азота, Спаро поставил канистру в домашний морозильник, температура в котором была около −20 °С. (При этом опасения жены несколько изменили свою направленность − она стала волноваться уже за сохранность холодильника и продуктов в нем). На следующий день автор принес из университета сосуд Дьюара с двумя литрами жидкого азота. Этого количества оказалось достаточно, чтобы на 5 минут канистра охладилась значительно ниже, чем в морозильнике, а ее содержимое затвердело. Попросив жену отойти подальше (собака на эту просьбу не отреагировала) и сделав глубокий вдох, отважный химик, вооружившись большой отверткой, погрузил канистру в воду и пробил в ней дыру. Его мысли при этом вертелись вокруг вопроса, насколько обоснованны законы физической химии; оказывается, даже профессиональные ученые в определенных ситуациях могут в этом сомневаться», К счастью, законы сработали отменно: из отверстия не вышло ни миллиграмма замороженного ядовитого газа. Действительно, уже при температуре плавления (−75,5 °С) давление паров SO₂ снижается в 80 раз по сравнению с атмосферным, а при −100 ºC в тысячу раз и составляет менее 1 мм рт. ст. Так что с понижением давления не ядовитый газ должен был выходить наружу, а наоборот − в пробитое отверстие должен был сразу зайти воздух (а в условиях «эксперимента» − вода). Удивительно другое: как канистра выдержала такое снижение давления в ней и не сплющилась в процессе охлаждения. Возможно, в ней, кроме жидкогоSO₂ и его паров, был также воздух. Некоторое время холодная канистра не представляла опасности. Так что можно было спокойно привязать к ней кирпич и бросить в бассейн. Кирпич лег на дно, а канистра висела между дном и поверхностью воды. Вскоре ее содержимое достаточно разогрелось, давление паров SO₂ превысило атмосферное (плюс небольшое давление столба воды), и из отверстия начали выделяться пузырьки газа. В чистой воде было видно, что, поднимаясь, они успевали растворяться, пройдя всего четверть метра, и потому не достигали поверхности. Через 10 минут весь сернистый газ оказался растворенным в воде; никаких следов его запаха в воздухе не чувствовалось, а на опущенном в воду рН-индикаторе надпись «Добавить кислоту» сменилась на «Нормально». Так химику удалось справиться с задачей, и при этом получить моральное удовлетворение от применения на практике своих знаний. Все это он описал в Заметке «Грандиозный эксперимент с канистрой, или как обезвредить бомбу и перестать беспокоиться» − очевидная ассоциация с книгой Лейла Карнеги. Статья была опубликована в «Журнале химического образования», издающемся Американским химическим обществом − в назидание другим химикам. Интересно подсчитать концентрацию сернистой кислоты в воде. Домашние бассейны обычно невелики. Пусть его площадь составляет 25 м², а глубина 2 м, тогда объем воды равен 50 м³. Если в канистре было 320 г SО₂ (5 моль), то концентрация его в воде составила бы всего 10^-4 моль/л (6,4 мг/л). Сернистая кислота относится к кислотам средней силы. При таком разбавлении ее диссоциация по первой ступени Н₂SО₃ = Н⁺ + HSО₃^— проходит практически полностью. Поэтому концентрация ионов водорода в растворе также будет составлять 10^-4 моль/л, что дает слабокислую среду с рН = 4.