© ИП Сирота, 2017

© ООО «Издательство «Эксмо», 2022

Химия в природе

№ 1. Покормите пластиком микробов. Проблемы утилизации пластиковых изделий

Почти во всем, что мы покупаем, можно найти пластик. Все вещи, которые нас окружают, когда-то были упакованы в пластиковую тару. Знаете ли вы, что пластик – это продукт переработки нефти, а его точное название – полиэтилентерефталат? Ежегодно в мире производят и выбрасывают более 13 миллиардов пластиковых бутылок. А чтобы получить 1 миллиард пластиковых бутылок, необходимо 90 миллионов литров нефти.

Представьте, что Атлантический океан пересох и в эту яму сбросили весь пластиковый мусор из вод Мирового океана. Яма заполнится не просто до краев, а с горкой! Потому что в водах Мирового океана плавает 12,7 миллиона тонн пластика.

Часть бутылок удается собрать и отправить на переработку. Переработанные бутылки используются повторно, но со временем они снова оказываются на свалках. Поэтому утилизация пластика обернулась глобальной экологической проблемой. На разрушение всего одной пластиковой бутылки матушка-природа тратит целых 300 лет! А таких бутылок – миллионы тонн.

Ученые нашли решение проблемы. Они обнаружили «пластикоядную» бактерию Ideonella sakaiensis, способную разлагать цепочки полимера на воду и углекислый газ.

В ДНК микроба есть два фермента: ПЭФаза и МГЭТ-гидролаза. Первая разлагает пластик на «кирпичики», вторая – расщепляет эти звенья на этиленгликоль и терефталевую кислоту, которыми и питается бактерия. Если добавлять колонии Ideonella sakaiensis в кучи мусора на свалках, его разложение ощутимо ускорится. Ученые предполагают, что если искусственно синтезировать ферменты, то можно превратить пластик в воду и углекислый газ.

Людям почему-то нравится сваливать мусор в такие места, где еще сохранилась природа.

Маргарет Этвуд

№ 2. Питание солнечным светом. Явление фотосинтеза

Фотосинтез – это образование органических веществ в клетках зеленых растений из углекислого газа и воды. Фотосинтез протекает в двух фазах: световой и темновой. Первая фаза происходит под воздействием света. Сначала растение всасывает воду из почвы. Затем под лучами света вода внутри листьев распадается, вследствие чего в атмосферу выделяется кислород.

2Н₂О → 4е + 4Н⁺ + О₂↑

Для темновой фазы свет необязателен. В ее процессе из углекислого газа, полученного растением из воздуха, и водорода, оставшегося при распаде воды, образуется глюкоза.

24Н⁺ + 6СО₂ → С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О

Глюкоза – продукт фотосинтеза. Это пища растений, которую они не могут добыть из почвы или воздуха. Они вынуждены производить ее самостоятельно. Благодаря фотосинтезу в природе регулируется баланс углекислого газа, а воздух насыщается кислородом.

№ 3. Их твердость не сломить: самые твердые материалы на свете

Твердость материалов измеряется в гигапаскалях (ГПа). При показателях выше 40 ГПа материал считается сверхтвердым. Эталоном твердости признан алмаз. Его твердость – 115 ГПа. Однако в мире существуют и другие сверхтвердые вещества.

Диборид рения (ReB ₂) – очень необычный материал. Без нагрузок он ведет себя как сверхтвердый (48 ГПа): его твердость и износостойкость выше, чем у многих сплавов с высочайшей твердостью. При нагрузках диборид рения как будто размягчается, и его твердость снижается до 22 ГПа. Этот факт стал поводом для споров среди ученых – стоит ли считать диборид рения сверхтвердым.

Карбид бора (B ₄C) используют для изготовления пластин бронежилетов. Твердость карбида бора составляет 49 ГПа. При соединении с ионами аргона его твердость возрастает до 72 ГПа.

Лонсдейлит (С) по структуре очень похож на алмаз. Оба минерала – модификации углерода. Лонсдейлит впервые был обнаружен среди метеоритных остатков в кратере Барринджера (Каньон Дьявола, США). Его микрокристаллы также были найдены на месте падения Тунгусского метеорита, одним из компонентов которого являлся графит. Вероятно, при взрыве метеорита графит превратился в лонсдейлит. Беспримесный лонсдейлит тверже алмаза – 152 ГПа.

Фуллерит (С₆₀) – самое твердое вещество в мире. Фуллерит является природной кристаллической формой углерода. Его кристаллы состоят не из отдельных атомов, а из молекул. Благодаря этому вещество обладает исключительной твердостью. Фуллерит способен царапать алмаз так же легко, как сталь царапает пластик. Твердость фуллерита – 310 ГПа.

Есть три вещи, сделать которые необычайно трудно: сломать сталь, раскрошить алмаз и познать самого себя.

Бенджамин Франклин

№ 4. Дышите глубже! Образование озона

Воздух после грозы пропитан специфичным запахом из-за молекул появляющегося в нем озона. Озон – это особая форма кислорода. Электрические разряды молнии расщепляют молекулы кислорода (О₂), и одиночные атомы соединяются, иногда не по два, а по три. Молекула О₃ – это и есть озон. При такой малой концентрации озона в воздухе погибают бактерии и легче дышится.

Хорошо, что соединяются лишь некоторые атомы. В чистом виде озон – мощный окислитель, газ голубого цвета с резким «металлическим» запахом. В больших количествах он опасен для живых организмов. Озон раздражает дыхательные пути, вызывая кашель, першение в горле, отечность и тяжесть в грудной клетке. Его обилие в воздухе ведет к патологиям всей дыхательной системы. К счастью, у самой поверхности Земли озона мало. Однако в крупных мегаполисах его концентрация повышается за счет промышленных выбросов в атмосферу и выхлопа автомобилей.

№ 5. Можно ли выбрасывать «севшие» батарейки в мусорный бак? Почему нет?

В России среднестатистическая семья использует около 18 пальчиковых батареек в год. Ежегодно на свалках Москвы оказывается более 15 миллионов батареек.

Одна выброшенная батарейка способна отравить площадь в 20 квадратных метров. В природе эта территория может служить домом для нескольких деревьев, семейства ежей и нескольких тысяч дождевых червей.

В батарейках содержатся тяжелые металлы: ртуть, никель, кадмий, свинец, литий, марганец и цинк. Накапливаясь в живых организмах, они наносят серьезный вред здоровью.

Свинец (Pb) вызывает заболевания мозга и нервной системы. Кадмий (Cd) накапливается в печени, почках, костных тканях и щитовидной железе. Ртуть (Hg) – яд. Она относится к первому классу опасности – «чрезвычайно опасные вещества».

Батарейка, выброшенная в мусор, оказывается на свалке. Она тлеет с другим мусором, а летом может и возгореться. Горящая батарейка выпускает клубы едкого дыма, насыщенного диоксинами. С дождевой водой диоксины попадают в почву, поглощаются растениями и попадают к нам на стол.

Ядовитые вещества из батареек проникают и в водоемы. Рыба и морепродукты, водоросли, питьевая вода – все становится отравленным. Кипятить такую воду бесполезно. Диоксинам, в отличие от микробов, кипячение не страшно.

Период полураспада диоксинов в окружающей среде составляет 10 лет. Для уничтожения опасных отходов существуют специальные пункты утилизации. Туда, помимо батареек, можно сдать аккумуляторы, ртутные градусники, ртутные лампы, неисправную электронику и лакокрасочные изделия.

Дай человеку рыбу, и он будет сыт один день. Но научи его ловить рыбу, и года за три он умрет от отравления ртутью.

Чарли Хаас

№ 6. Пчелиная лаборатория. Как они это делают?

У пчелиного меда нет точной химической формулы. Его состав зависит от растений, почвы, погоды и т. д. Зрелый мед может содержать 20 % воды (H₂O), 33–35 % глюкозы (C₆H₁₂O₆), 40 % фруктозы (C₆H₁₂O₆) и всего 0,18–0,2 % сахарозы (C₁₂H₂₂O₁₁).

В процессе добычи меда рабочие пчелы передают собранный нектар в улей. Производство в пчелиной лаборатории разворачивается.

Чтобы превратить нектар в мед, пчелы приправляют его ферментами. Так из нектара уходит лишняя влага и образуется солодовый сахар – мальтоза (C₁₂H₂₂O₁₁). Ферментированный нектар закладывают в соты, утрамбовывают, обезвоживают и щедро заправляют дополнительной порцией ферментов. Ячейку герметично запечатывают воском и в вакууме оставляют мед дозревать. Находясь как в консервной банке, мед не портится. Созревший мед достается хозяину пчелиной лаборатории – пасечнику.

№ 7. Если вас укусили: антидоты

Укусы ядовитых змей могут парализовать, нанести вред здоровью и даже убить. Человек, укушенный ядовитой змеей, должен как можно скорее принять противоядие – антидот.

Антидоты способны нейтрализовать или приостановить действие яда в организме. Чтобы антидот подействовал, нужно правильно определить вид змеи. Яды змей специфичны, и против каждого из них разработана специальная сыворотка. Например, сыворотка против яда гадюки бесполезна при укусе кобры.

Как ни странно, для приготовления спасительной сыворотки используют яд того вида змеи, против укусов которой эта сыворотка предназначена.

Ученые добывают змеиный яд и микроскопическими дозами вводят его лошадям. Такая дозировка не вредит животному, но лошадиный организм в ответ на яд начинает вырабатывать антитела. Этот процесс длится несколько дней. Затем, когда в крови животного выработано достаточно антител, ученые берут у лошади около 6 литров крови. Из полученного материала они выделяют те самые антитела и готовят сыворотку-антидот.

После инъекции сыворотки человеку, которого укусила змея, антитела вступают в реакцию с нейротоксическими протеинами яда и нейтрализуют их.

На данный момент универсального антидота против ядов всех змей не существует. Но ученые всего мира усердно работают над этим. На помощь им пришли нанотехнологии! Химики из Калифорнийского университета создали особые наночастицы. Они нейтрализуют токсины, содержащиеся в яде змей всего мира. В ближайшем будущем это изобретение спасет тысячи жизней и избавит врачей от необходимости подбирать антидот для каждого конкретного яда.

Яд и лекарство – часто одно и то же, все дело в пропорции.

Элис Сиболд

№ 8. «Живая» и «мертвая» вода

Если через воду пропустить электрический ток, то рядом с полюсами источника тока изменятся состав и структура воды. У положительно заряженного анода соберется кислотная вода. Ее называют «мертвой». Около отрицательного катода сконцентрируется щелочная – «живая» – вода.

Мертвая вода (анолит) обладает легким кислым запахом и привкусом. Ее кислотность варьируется от 2,5 до 3,5 рH. Мертвая вода – бактерицид и дезинфектор. Такой водой можно полоскать нос, рот и горло при простуде. Кислотная среда уничтожает микробы и бактерии.