Читать книгу: «Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить», страница 3

Применение азота как газа

Про жизнь азота в качестве химических соединений мы поговорили. Но в воздухе он содержится в виде простого вещества. Где человек применяет его как газ? В промышленности, потому что главная ценность азота – спокойный и мирный нрав. Из-за того, что атомы в молекуле связаны очень тесно, он крайне плохо вступает в химические реакции и не поддерживает горение. Благодаря этому азот отлично изолирует. С его помощью создают специальные газовые среды, в которых хранят продукты и лекарства. А еще в металлургии, чтобы предотвратить окисление металлов при обработке.

Жидкий азот подходит для криозакаливания металлов и воздействия на них холодом. Все верно, азот может быть жидким, как и любой другой газ. Заметили в начале главы температуру кипения: –195,8 ℃? Именно при такой низкой температуре он становится жидкостью и начинает кипеть.

В жидком виде газы легко хранить и транспортировать, ведь они занимают гораздо меньше места. Сжиженный азот применяют в медицине и косметологии. Вам когда-нибудь прижигали бородавки? С помощью него устраивают фокусы и спецэффекты. А может, вы слышали про модную молекулярную кухню? Повара-затейники умудряются делать мороженое и другие холодные необычные блюда.

Вреден ли азот?

При нормальных условиях и атмосферном давлении человек азот не усваивает. Однако, если спуститься на глубину с аквалангом и подышать смесью газов, куда входит азот, или же подать его для дыхания в виде определенных соединений, может случиться токсическое опьянение. Другие названия этого состояния – «глубинная болезнь», «азотное отравление», «азотный наркоз». Центральная нервная система человека начинает работать неправильно. Возникает слабость, ухудшается зрение, могут быть галлюцинации. Пострадавший не способен здраво мыслить, перемещаться и отвечать за свои поступки. Опасно, когда подобное случается под водой, поэтому водолазы с особой осторожностью опускаются на глубину более 25 м и тщательно следят за составом дыхательных смесей и состоянием своего здоровья.

Невеселое веселье

Очень странно, когда одни люди пытаются чего-то избежать, а другие специально этого добиваются. Вы наверняка видели, как посетителям ночного клуба предлагают купить шарики с «веселящим газом». Продавцы широко улыбаются и рассказывают про эйфорию, которую можно получить. «Это не наркотик, ничего страшного не случится», – заверяют они. Водолазы бы сейчас возмутились, а вместе с ними и я. Ничего веселого здесь нет, ведь это не эйфория, а банальное отравление.

Газ из шарика называется закись (оксид) азота, его химическая формула – N₂O. Закись азота – медицинский газ, разработанный для проведения наркоза. При вдыхании он действует на нервную систему: вы бредите, кружится голова, хочется спать, болевые ощущения снижаются. Оксид азота всегда применяют с осторожностью, так как он имеет свойство накапливаться в легких. Чтобы пациент не пострадал, во время выхода из такого наркоза ему подают чистый кислород для дыхания. А кто предоставит кислород купившему такой шарик в шумном ночном клубе? Мой вам совет – не рискуйте. Не ныряйте без подготовки на глубину с аквалангом. Не вдыхайте сомнительные газы на вечеринке.

Итак, подведем итог: в атмосфере азота больше всего. В обычных условиях он не вступает почти ни в какие реакции, в том числе и в реакции горения.

Глава 4
Газ с горячим нравом
Кислород

Атомный номер химического элемента – 8

Формула вещества – O₂

Температура кипения вещества – –182,96 ℃

Бесцветен. Не имеет ни вкуса, ни запаха.

Дышите свежим воздухом в санатории! Покупайте новый крем с молекулами O₂, который омолодит кожу! Нет ничего лучше для здоровья, чем кислородный коктейль! Казалось бы, кислорода много не бывает. И почему его так мало в атмосфере, всего 20,95 % по объему и 23,15 % по массе? Могло бы быть и больше. Тогда нам бы не пришлось ездить на природу и платить за это деньги. Ах, если бы он наполнил воздух на 100 %! Всё бы начало утопать в зелени, а здоровый цвет наших лиц можно было бы разглядеть из космоса!

Представьте, что это произошло. Воздух – чистейший кислород. Как же хорошо дышится. Только вот подозрительно пахнет гарью. А еще какие-то странные хлопки, взрывы, пожары. Хотели зажечь спичку? Вспыхнул весь коробок, а потом и дом. Да, как-то часто и интенсивно стало всё гореть. Такое чувство, что сам воздух… Погодите. Воздух горит? Такое может быть?!

Кислород не загорается сам по себе, он не горючий газ, но сильнейший окислитель. А процесс горения – это реакция окисления. Вот и получается, что кислород поддерживает и усиливает горение. Если огонь отлично разгорается на нашей планете и сейчас, то представляете, как всё начнет полыхать, если воздух станет чистым кислородом? Большинство веществ в такой атмосфере окажутся настоящей угрозой.

Хорошо, что в реальной жизни его горячий нрав сдерживает азот, который, как вы помните из прошлой главы, наоборот, очень плохо вступает в реакции и обладает изолирующим свойством. Пока комбинация кислород плюс азот составляет практически 99 % состава воздуха, и азот в ней лидирует – мы в безопасности.

Источники кислорода на Земле

История Земли делится на докислородный и кислородный периоды. Цианобактерии один раз очень хорошо постарались и совершили настоящую кислородную революцию, так что хорошо бы не потерять результат их трудов. К счастью, в наши дни запасы O₂ находятся в балансе: не только постоянно расходуются, но и пополняются. Главный способ сохранять кислородный состав атмосферы Земли сегодня – это фотосинтез. Растения при помощи воды, углекислого газа и энергии света получают глюкозу. Побочный продукт этого процесса – кислород. Впрочем, кому побочный, а кому и живительный.

Можно ли в таком случае считать леса легкими планеты? Это красивое, но не совсем корректное выражение, потому что леса, в том числе и тропические, хоть и очень важны, но производят всего около 30 % кислорода на Земле. Как вы понимаете, это большой вклад, но далеко не основной. Так происходит потому, что растения, как практически все живые существа, дышат – поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Кислород необходим животным, птицам и другим обитателям леса, а еще для реакций разложения органики, поэтому получается, что большая часть созданного во время фотосинтеза O₂ расходуется в том же лесу.

Кто же еще производит кислород на Земле? Вы, наверное, удивитесь, но основные творцы кислорода по-прежнему, как и в доисторическую эпоху, бактерии и микроорганизмы! Находятся они не на суше, а в воде. Зеленые водоросли и фитопланктон также занимаются фотосинтезом и производят огромное количество кислорода. Из-за того, что газы плохо растворяются в жидкостях, он не поглощается Мировым океаном и накапливается в атмосфере.

Кстати, а можно ли существовать без кислорода? Живые организмы делятся на два типа: аэробов – тех, кто нуждается в атмосферном кислороде, и на анаэробов, которые живут себе припеваючи и без него. К анаэробам относятся некоторые простейшие, грибы, водоросли, гельминты. Аэробы – животные, растения, человек. Поэтому да, теоретически без кислорода жить можно, но не всем.

Где применяют кислород?

Везде, где нет или недостаточно воздуха для дыхания: на глубине, в медицине, авиации, космонавтике. Этот газ используют для производства дыхательных смесей. Кроме того, промышленность сильно ценит O₂. Чистый кислород увеличивает интенсивность горения, поэтому ему нашли применение в энергетических установках и тепловых станциях при сжигании топлива. Его задействуют в газопламенной резке и сварке металлов. Температура пламени становится такой высокой, что металл поддается обработке. Чаще всего кислород используют в газообразном виде, однако перевозят и хранят его в жидком состоянии. Его температура кипения в условиях нормального атмосферного давления составляет –182,96 ℃.

Кислород пригодился и в космической промышленности. Например, на корабле «Союз» есть отдельный бак с жидким кислородом, а в качестве ракетного топлива выступает керосин. Еще один пример – американский многоразовый космический корабль системы «Спейс Шаттл»: в его внешнем топливном баке содержится горючее – водород и окислитель – кислород. Чистый кислород усиливает горение топлива, что позволяет добиться необходимой скорости и вывести корабль на орбиту.

С этим газом нужно обращаться осторожно. Кислородные производства и установки – зоны повышенной опасности. Также необходимо правильно хранить, транспортировать и эксплуатировать баллоны. Нарушение правил может привести к взрыву и пожару. Одна из катастроф, связанных с неаккуратным применением кислорода, – взрыв космического корабля «Аполлон» во время подготовки к первому полету миссии «Аполлон-1».

В кораблях «Аполлон» для уменьшения веса конструкции использовался чистый кислород при пониженном давлении. Однако есть один важный момент: это хорошо лишь во время полета, но никак не на Земле в ходе подготовки и тренировок. Стенки корабля не были рассчитаны на наружное давление, ведь в открытом космосе оно близко к нулю. На Земле во время испытаний, чтобы нивелировать наружное давление, пришлось увеличить давление внутри корабля, сделать его выше, чем атмосферное. Именно так получилось, что в «Аполлоне» скопился кислород при повышенном давлении. NASA не придало этому значения, а кроме того, основываясь на опыте работы с кислородной средой, не посчитало нужным использовать азотно-кислородную смесь. И это стало первым звеном в цепи трагических последствий.

Второй роковой случайностью послужила возможная неполадка и замыкание в электропроводке. Искра стала причиной сильнейшего возгорания, которое охватило корабль. У астронавтов не было шанса выбраться и открыть люк изнутри из-за его сложной конструкции. Все три члена экипажа: Эдвард Уайт, Вирджил Гриссом, Роджер Чаффи – погибли за считаные секунды после начала пожара. Если бы давление кислорода не было бы таким высоким или же его горячий нрав, как в атмосфере Земли, сдерживал азот, катастрофа, возможно, не случилась бы.

Однако гораздо чаще кислород приносит пользу. В пищевой промышленности он используется как упаковочный газ, чтобы продукты дольше сохраняли товарный вид. Благодаря кислороду на наших прилавках яркое красное мясо, а не пугающие синюшные отрубы, свежие хрустящие фрукты и овощи вместо вялых плодов. В качестве пищевой добавки его обозначают как E948.

Кислород применяют в медицине в качестве смеси для наркоза, а также в экстренных ситуациях, когда человек не может дышать сам.

Еще его используют для оздоровительных и укрепляющих процедур, в косметологии. Один из интересных способов употребления внутрь – кислородные коктейли. Да, кислород можно пить, если правильно приготовить.

Когда он работает против нас?

Кислород – это хорошо, но большое его количество может быть опасно. Помимо того, что всё начнет гореть, им можно отравиться. Конечно, это не происходит во время прогулки на свежем воздухе. Отравление случается в условиях переизбытка этого газа: на производстве, при лечебных мероприятиях, водолазных погружениях. Одним словом, везде, где много чистого кислорода и давление отличается от атмосферного. Кислород имеет свойство задерживаться в тканях организма, что приводит к нарушениям работы центральной нервной системы, органов дыхания и кровообращения.

Итак, подведем итог: кислород жизненно необходим для аэробных организмов. Он сильнейший окислитель, поддерживает и усиливает горение, на Земле возобновляется благодаря процессу фотосинтеза.

Глава 5
Лакомство растений
Углекислый газ

Формула вещества – СO₂

Температура сублимации – –78,45 ℃

Бесцветен. Без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Из школьных уроков биологии вы, наверное, помните, что человек вдыхает кислород, а выдыхает углекислый газ. Всё так, но я бы не противопоставляла их друг другу. Давайте узнаем больше об углекислом газе, ведь он заслуживает не только нашего выдоха, но и внимания.

Воздух содержит 0,03 % углекислого газа по объему и 0,04 % по массе. Думаете, мало? Посмотрите на Венеру, где всё с точностью наоборот. Ее атмосфера состоит из углекислого газа на 96,5 % и поэтому имеет температуру +464 ℃. Вот это погодка у них там, ни один кондиционер не справится!

Дело в том, что диоксид углерода – газ не простой, а парниковый. Он поглощает тепловое излучение планеты, тем самым не давая ей остывать. Здесь как никогда важна концентрация. Если парникового эффекта не будет вовсе – мы заледенеем. А если он начнет усиливаться, тепловой баланс планеты сместится в противоположную сторону и Земля превратится в гигантскую теплицу. Поэтому за количеством углекислого газа в атмосфере необходимо следить и не допускать сильных изменений.

Кто его «надышал»?

То, что углекислого газа в атмосфере немного и это к лучшему, – понятно. А откуда он вообще взялся? Ну, во-первых, его образует сама планета во время извержения вулканов или сгорания органических веществ. Живые организмы тоже производят СO₂: аэробы во время жизнедеятельности, бактерии в процессе брожения и перегнивания. Человек пополняет запасы ежедневно, причем не столько своим дыханием, сколько сжиганием топлива, выхлопными газами, производствами. Так масса и набирается.

Углекислая диета

Диоксид углерода – один из важнейших источников питания растений. Куст шиповника садится ужинать, достает вилку и нож… Шучу. Растения поступают иначе: берут из воздуха углекислый газ, из почвы – воду и с помощью энергии солнечного света перерабатывают это всё в глюкозу, из которой потом строят себя. Помимо глюкозы получается еще и кислород. Ничего не напоминает? Всё правильно, это фотосинтез. С его помощью растения лакомятся углекислым газом, вовлекают его в круговорот веществ и не дают накапливаться в атмосфере.

А для чего он нужен человеку?

Например, для того, чтобы тушить пожары. Если заполнить углекислым газом полыхающее помещение – пламя потухнет. Так происходит потому, что CO₂ не участвует в горении, зато отлично вытесняет кислород, который, как вы помните из прошлой главы, его поддерживает. Огромный плюс этого способа – скорость и возможность полной автоматизации систем пожаротушения, а также безопасность для материальных ценностей: ни вода, ни пена, ни порошок не повредят окружающие предметы. Недостаток же – опасность для человека, поэтому перед началом тушения необходимо срочно эвакуировать людей: иначе, когда кислород будет вытеснен, все оставшиеся в помещении задохнутся. Такое пожаротушение обычно применяют на производствах, в местах хранения горючих материалов и жидкостей. Но, конечно, это не единственный способ использовать углекислый газ.

Если охладить углекислый газ до –78,45 ℃, он станет твердым и превратится в лед. Но это не тот обычный лед, который бросают в стакан с напитком. Особенность углекислого газа в том, что при атмосферном давлении он не существует в жидком состоянии. Из газообразной формы CO₂ превращается в так называемый сухой лед, а из этого сухого льда обратно в газ. Процесс, когда вещество переходит из твердой формы в газообразную, минуя жидкую фазу, называется сублимацией или возгонкой.

Ну и куда же девать этот немокрый лед? В том-то и дело, что его удобно применять везде. Подумайте: если он растает – не будет луж, которые нужно убирать, и влага не испортит ничего ценного. Именно поэтому сухой лед используют при охлаждении продуктов, при их транспортировке и хранении.

Кстати, с помощью такого льда производят некоторые спецэффекты, например дым или туман на концертах. В специальный прибор кладут твердый диоксид углерода, где он тает, благодаря чему образуется плотный пар, который загадочно и мистически стелется по сцене. Однако использование сухого льда в больших количествах в закрытых помещениях может быть опасно для человека. Когда он переходит в газообразное состояние, образуется много углекислого газа, вытесняющего кислород. Чем больше сухого льда – тем больше CO₂ переходит в воздух. Если кислорода для дыхания станет недостаточно, зрители могут потерять сознание и погибнуть от удушья. Хочу вас предостеречь от подобной роковой ошибки и напомнить, что все манипуляции с сухим льдом необходимо проводить аккуратно и только на свежем воздухе или в хорошо проветриваемых помещениях.

А теперь давайте перейдем к вкусненькому. Вы наверняка любите газировку? Чтобы получились такие любимые всеми пузырьки, в жидкость необходимо ввести углекислый газ. Да, и здесь без него не обошлось! Основная цель газации – продлить срок хранения напитков, ведь CO₂ – это консервант, который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов в продукте. Диоксид углерода, он же пищевая добавка Е290, предотвращает развитие бактерий и грибков, а также регулирует кислотность напитков, минеральной воды или, например, лимонадов.

Однако добиться колючих пузырьков и продлить срок хранения можно и естественным способом. Природная газация используется при изготовлении шампанского, пива и кваса. Эти напитки объединяет технология изготовления, при которой дрожжи потребляют сахар, вступают в реакцию брожения и выделяют углекислый газ. Процесс происходит в закрытом герметичном сосуде, поэтому напитки накапливают в себе CO₂ и газируются естественным путем. Так получаются те самые приятные пузырьки, что щекочут нос.