Химия вокруг нас [1 ed.] 9785970608159, 9784537261318

Citation preview

Оомия Нобумицу

Химия вокруг нас

Nihonbungeisha

Описание в картинках

С этой книжкой не уснешь!

Химия вокруг нас Научный редактор

Оомия Нобумицу

Москва, 2020

УДК 66.0 ББК 23.5 О599

Оомия Н. О599 Химия вокруг нас / пер. с  яп. С.  Л.  Плехановой. – М.: ДМК Пресс, 2020. – 132 с.: ил. ISBN 978-5-97060-815-9 В этой книге явления видимого мира описываются через призму микромира – как результат взаимодействия химических веществ. В таком контексте рассматриваются различные процессы в организме животных и человека, приготовление пищи и даже работа бытовой техники. И конечно, отдельного внимания заслуживают загадки, которые загадывает нам окружающий мир: почему огонь горит, цветы цветут, небо голубое, а молния зигзагообразная. Простые и понятные схемы, а также удобная структура книги (на каждую тему отводится один разворот) упрощает восприятие материала. Издание предназначено для всех, кто любит химию и интересуется научным объяснением простых фактов.

УДК 66.0 ББК 23.5

Russian translation rights arranged with NIHONBUNGEISHA Co., Ltd. through Japan UNI Agency, Inc., Tokyo Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

ISBN 978-4-53726-131-8 (яп.) ISBN 978-5-97060-815-9 (рус.)

Copyright © NIHONBUNGEISHA, 2015 © О формление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2020

Содержание 9

Предисловие. От вещества к химическому веществу

Глава

I

Химия человека Что происходит в человеческом теле?

12

Вчера я не так уж много выпил! Почему же у меня похмелье?

14

Если прикоснуться к предмету с температурой 100 °С, будет сильный ожог! Почему же мы не получаем ожоги в сауне?

16

Я же вовсе не думаю о сексе! Почему же у меня эрекция?

18

Я вообще-то спокойный человек! Почему же иногда так сильно бьется сердце?

20

Пью только воду! Почему же при этом моча желтого цвета?

22

Вирус гриппа А, В, птичий грипп... Почему возникают эпидемии гриппа?

24

Не переедаю и алкоголя много не пью! Почему же возникает язва желудка?

26

Болезнь, которой страшнее всего заболеть! Почему возникает рак?

28

Мучения каждую весну! Откуда берется сенная лихорадка?

30

Так часто переходящее в привычку действие! Почему хрустят пальцы?

Глава

II

Пищевая химия Вкусное, питательное чудо!

32

Жареное мясо, жареная курица! Почему мясо становится таким вкусным, если его пожарить?

34

Саке, ликеры, вино, виски! Почему алкоголь можно получить разными способами: пивоварением, виноделием и дистилляцией?

36

Изначально было молоко! Почему же сыр твердый?

38

Бекон, ветчина – это консервированные продукты! Почему копчение увеличивает срок хранения?

5

40

Почему рис едят вареным?

42

Глютен – это на самом деле белок! Почему из пшеничной муки получается хлеб?

44

Жевательную резинку делают из сока растений?! Почему жвачка становится мягкой?

46

Такое вкусное зимнее блюдо! Почему печеная картошка сладкая?

48

В японском языке слово «грибы» буквально означает «дети деревьев»! Почему они так называются?

50

Почему когда выпьешь алкоголь, хочется поесть рамен?

Глава

III

Химия окружающего мира Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

6

52

Почему шариковая ручка может так плавно писать?

54

Почти все ластики сейчас делаются из пластика! Как же они стирают?

56

Может приклеиться к чему угодно! Почему клей приклеивается?

58

Удаляются даже жирные и масляные пятна! Как моющие средства удаляют загрязнения?

60

Как Япония распространила джинсы по всему миру?

62

Утюг не нужен! Почему рубашки с памятью формы не мнутся?

63

Нет хуже для рубашки, чем это! Почему след от помады так трудно вывести?

64

Постоянный источник переживаний деловых женщин! Почему на чулках появляются стрелки?

66

Даже самые твердые продукты! Как режет кухонный нож?

68

Выдерживает удар любой рыбы! Почему аквариумы в океанариумах не разбиваются?

70

Пейзаж из окна так хорошо виден! Почему листовое стекло прозрачное?

72

Пахнет даже кондиционер для белья! Почему ароматизаторы пахнут?

74

Если хорошенько охладить, то гораздо вкуснее! Откуда на чашке появляются капли воды?

Глава

IV

Химия в технологиях Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий!

76

Эпоха, когда даже дома можно наслаждаться 3D! Почему картинка в 3D так реалистична?

78

На пленке, в цифровом виде, и не только! Как получаются фотографии?

80

В чем разница между плазмой и жидкими кристаллами? Как работает телевизор?

82

И телевизор, и DVD-плеер одним пультом! Как работает пульт дистанционного управления?

84

Комфорт весь год! Почему кондиционеры могут и охлаждать, и нагревать воздух?

86

Так необходим нам, особенно летом! Почему холодильник холодит?

88

Можно готовить без огня! Как устроена микроволновая печь?

90

От Токио до Осаки всего за 2,5 часа! Почему синкансены такие быстрые?

92

Так необходимы во время стихийных бедствий! Почему батареи могут накапливать электричество?

94

Как навигатор в автомобиле определяет местоположение?

Глава

V

Химия живых существ Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

96

Общая проблема всего мира! Почему насекомые есть везде?

98

Такой приятный для глаз, успокаивающий цвет! Почему растения зеленые?

100

В каждом сезоне распускаются разнообразные цветы! Почему цветы цветут?

102

Кедру дзёмон уже 4000 лет! Почему деревья вырастают такими большими?

104

Символ японского лета! Почему светляки светятся?

106

Почему домашние куры несут так много яиц?

7

108

Как глубоководные морские обитатели выдерживают давление воды в глубине океанов и морей?

109

Почему вакасаги не замерзает подо льдом?

110

Длина тела более 30 м! Почему динозавры были такими огромными?

112

Почему птиц, сидящих на электрических проводах, не бьет током?

Глава

VI

Химия Земли и космоса Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

8

114

Земля вначале была огненным шаром?! Как же появилась Земля, какой мы ее знаем?

116

Япония – одна из стран-лидеров по количеству вулканов! Почему вулканы извергаются?

118

Японский архипелаг вступил в активный период! Почему происходят землетрясения?

119

Такие красивые молнии на небе! Почему молния идет зигзагами?

120

Концентрация соли разная в зависимости от места и глубины! Почему морская вода соленая?

122

Целый химический завод под землей! Как под землей образуется нефть?

124

Отношения человека с огнем насчитывают миллион лет! Почему огонь горит?

126

С древних пор люди используют солнечный свет! Почему же солнце светит?

128

Хоть раз в жизни хочу увидеть! Как возникает полярное сияние?

130

Когда говорим «цвет неба», подразумеваем «голубой»! Почему небо голубое?

131

Жутковато, не правда ли?! Почему Луна иногда выглядит красной?

Предисловие От вещества к химическому веществу Все мы время от времени сталкиваемся с явлениями, которые вызывают вопросы, например: «Почему вода в море соленая?» или «Как работает телевизор?». В этой книге приводятся простые вопросы, ответ на которые помогает найти химия. Хотя я и говорю «простые вопросы», наверняка среди читателей найдутся те, кто будет уверять, что никогда в жизни не озадачивался ничем подобным. Возможно, на самом деле где-то в глубине души они интересовались этими темами – просто не имели времени над ними поразмыслить. И в особенности таким людям я пожелаю прочитать эту книгу с открытым сердцем, немного отстранившись от повседневных забот на время чтения. Кто знает, может быть, это научит вас жить в большей гармонии с миром!.. Вероятно, после изучения книги окружающий мир станет для вас гораздо интереснее. Ведь когда знаешь, почему море соленое, заниматься дайвингом куда увлекательнее, не так ли? И  разве не интереснее смотреть телевизор, если знаешь, как он работает? Кстати говоря, известно ли вам, чем отличается вещество от химического вещества? «Когда мы не рассматриваем вещество на видимом глазу макроуровне, а на микроуровне исследуем его структуру и роль каждой составляющей, то оно называется химическим веществом» (предисловие к «Малой энциклопедии химического вещества», издательство «Иванами сётэн»). Например, вода – химическое вещество, если мы рассматриваем ее как соединение водорода и кислорода. Химия и является наукой о химических веществах и их изменениях. Она объясняет явления, которые не увидеть невооруженным глазом, а  уж от этого легко перейти к поиску ответов на вопросы, которые возникают у нас в отношении видимых явлений.

9

Но здесь кроется немаловажная проблема. Как только, отвлекшись от привычного видимого мира, мы осознанно погружаемся в мик ромир, невидимый глазу, объяснять те или иные явления становится все сложнее. В задачу автора книги входило решение этой проблемы, которое позволило бы превратить химию в занимательный инструмент. Основная идея состоит в том, чтобы с помощью химии прояснить загадки повседневной жизни. И  я  старался, чтобы вам было интересно читать. Очень надеюсь, что вы получите удовольствие от книги. С архипелага на восточной окраине Евразии, Оомия Нобумицу

10

I

Химия человека

Что происходит в человеческом теле?

Вчера я не так уж много выпил! Почему же у меня похмелье? Термином «алкоголь» обозначают химические соединения, содержащие так называемые гидроксильные группы, то есть соединения атомов кислорода и  водорода. Попадая со спиртными напитками в  организм человека, алкоголь расщепляется энзимами, и при этом водород исчезает. В организме же остается сильно ядовитый ацетальдегид. Он-то и  является причиной похмелья. Такие вещества называют токсичными, потому что они вызывают в  организме сильные негативные реакции вроде тошноты и  головной боли. Однако в  обычных условиях ацетальдегид окисляется ферментом печени альдегиддегидрогеназой, образуя уксусную кислоту. Уксусная кислота расщепляется на безвредные углекислый газ и воду, так что беспокоиться не нужно. Но если алкоголя было выпито слишком много, то альдегиддегидрогеназы не хватит, и в организме останется нерасщепленный ацетальдегид, что и является причиной похмелья. Опьянение от большого количества алкоголя и  похмелье свойственно всем народам, однако в степени опьянения и похмелья между разными нациями есть различия. Есть нации, у которых ослаблено действие сильной альдегиддегидрогеназы второго типа. В 1983 году в университете Цукубы доцентом (в то время) Харада Сёдзи было проведено исследование, выявившее следующее. В то время как у  европейцев альдегиддегидрогеназа второго типа активна, у  азиатов, особенно у японцев, она довольна слаба. Другими словами, это означает, что у азиатов мало ферментов, расщепляющих алкоголь, и они более уязвимы к его воздействию. То, что в нациях возникли подобные различия, может означать, что европейцы не могли бы выжить, не стань они менее восприимчивы к алкоголю. И то, что японцы так уязвимы к алкоголю, возможно, означает, что они жили в более благополучной среде.

12

z Окисление алкоголя Этанол C2H5OH

Алкоголь

Окисление Ацетальдегид CH3СHО

Европейцы > японцы Японцы по сравнению с европейцами гораздо уязвимее к алкоголю

Окисление Уксусная кислота CH3СООH

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Однако есть и другие причины похмелья. Это и сам алкоголь, вызывающий дисбаланс в организме, и различные добавки1, определяющие вкус алкогольного напитка.

Уксус

Причиной болей в желудке и тошноты является то, что алкоголь, раздражая стенки желудка, стимулирует выделение желудочного сока, что приводит к легкому гастриту.

1

Считается, что при равном содержании алкоголя похмелье будет меньше при употреблении напитков с меньшим содержанием добавок.

13

Если прикоснуться к предмету с температурой 100 °С, будет сильный ожог! Почему же мы не получаем ожоги в сауне? Температура в  жарко натопленной сауне обычно достигает 90–110  °С. Если, например, облиться водой такой температуры, непременно получишь ожоги. Удивительно, почему же тогда мы не получаем ожоги в сауне? Есть три основные причины того, почему мы не обжигаемся в сауне. Первая причина – это пот1. Уже через одну минуту нахождения в жаркой сауне выделяется 20–40 г пота. С потом выходит из организма жидкость, и таким образом за 30 мин в сауне можно потерять до 1 кг веса. Этот пот, выделяемый в таких больших количествах, создает на поверхности кожи тонкую пленку воды. Вода обладает большой теп лоемкостью, то есть способностью поглощать тепло. А значит, она плохо нагревается. И таким образом кожа оказывается защищенной от высокой температуры сауны. Вторая причина – это уровень влажности в  сауне. В  сауне очень сухо, и влажность низкая. И поэтому температура около 100 °С не ощущается такой уж жаркой. Как уже было сказано раньше, в сауне у нас выделяется много пота, но из-за высокой температуры этот пот сразу испаряется. Когда вещество испаряется, теряется удельная теплота парообразования (испарения). Удельная теплота парообразования воды очень высокая, поэтому при испарении 10 г воды тело теряет 6 ккал теплоты. Поэтому-то температура в сау не ощущается ниже, чем она есть на самом деле. Пот выполняет две основные функции. Пот, выделяемый эккриновыми железами, регулирует температуру тела, а пот из апокриновых желез выводит из организма отходы.

1

14

Кстати говоря, когда при ходьбе внутри сауны на коже ощущаются покалывания, это связано с разрушением этого воздушного слоя вокруг кожи, для сохранения которого лучше не двигаться. А быстро двигаться в сауне строго запрещено, так как это приведет к большему разрушению воздушного слоя, который перестанет защищать кожу. z В сауне мы не обжигаемся потому, что... 1. Пот Пот защищает кожу, создавая на поверхности тонкую пленку

3. Воздушный слой Благодаря воздушному слою жар плохо передается

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Третья причина – это воздушный слой. Слой воздуха вокруг кожи толщиной в  несколько миллиметров на самом деле практически неподвижен. Температура воздуха в этом слое близка к температуре тела, и этот слой воздуха трудно отделим от тела. Более того, так как воздух плохо проводит тепло, то этот слой защищает кожу от горячего воздуха.

2. Влажность Так как влажность низкая, жар ощущается меньше

Потеря веса в сауне связана только с потерей влаги из-за выделения пота. Если выпить затем воды, вес восстановится.

15

Я же вовсе не думаю о сексе! Почему же у меня эрекция? Эрекция пениса бывает двух видов: рефлекторная и психогенная. Прежде всего рассмотрим рефлекторную эрекцию, которая возникает при физическом воздействии. Например, при прикосновении к пенису или при тряске в транспортном средстве возникает физическое стимулирование, которое, не задействуя центральную нервную систему, непосредственно воздействует на так называемый центр эрекции. Эрекция в этом случае происходит рефлекторно (автоматически). С другой стороны, психогенная эрекция возникает при воздействии психологических стимулов, например при виде обнаженной женщины, или при возникновении эротических мыслей. Информация о подобной психологической стимуляции передается в  центр полового влечения1 через кору головного мозга центральной нервной системы, а уже оттуда команда по вегетативной нервной системе передается в центр эрекции. Когда стимулирующая информация поступает в центр эрекции, из конца длинного отростка – синапса – крестцового отдела спинного мозга, управляющего половыми органами, выделяются одни из нейромедиаторов – NO-радикалы. Внутри губчатого тела мочеиспускательного канала есть так называемые гладкие мышцы кровеносных сосудов и трабекулы пещеристых тел. И  NO-радикалы проникают внутрь клеток, их составляющих. Вследствие чего возникает химическая реакция, в  результате которой в клетках образуется большое количество циклического ГМФ (циклического гуанозинмонофосфата). Эта химическая реакция расслабляет гладкую мускулатуру кровеносных сосудов и трабекулы пещеристых тел. И в полости губчатого пещеристого тела приливает большое количество крови. Наполненное кровью пещеристое тело делает пенис твердым, что и создает эрекцию.

Центр полового влечения находится в  гипоталамусе мозга. У  мужчин гипоталамус в  два раза больше, чем у женщин.

1

16

z Устройство эрекции

Головной мозг

Спинной мозг

Сексуальное возбуждение (психогенная эрекция) Стимуляция половых органов (рефлекторная эрекция)

Полости пещеристого тела Пещеристое тело

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Обычно в состоянии эрекции пещеристое тело сдавливает сосуды внутри пениса, поэтому кровь не уходит, и эрекция продолжается. Если сексуальная стимуляция исчезает, то активизируется фермент фосфодиэстераза (PDE5), вследствие чего циклический ГМФ вступает в  реакцию с водой и разлагается. В результате эрекция спадает.

Центр эрекции Крестцовый нерв

Нейрон

Нейромедиаторы NO-радикалы

Синапс

В клетки гладкой мускулатуры кровеносных сосудов

Виагра содержит компоненты, ослабляющие действие фермента PDE5, вследствие чего и возникает эрекция.

17

Я вообще-то спокойный человек! Почему же иногда так сильно бьется сердце? Сердце сформировано мышцей, называемой сердечной мышцей, или миокардом. Это особенная мышца, которая есть только в  сердце, и  по сравнению со всеми прочими мышцами в  теле ее структура наиболее прочная. Посредством регулярных растяжений и сжатий сердечная мышца проталкивает кровь в  артерии и  возвращает ее вновь в  сердце через вены, обеспечивая тем самым циркуляцию крови по всему телу. Сердце совершает повторяющиеся сокращения с  частотой примерно один раз в секунду, и даже в спокойном состоянии за одну минуту оно прогоняет приблизительно 5 л крови. А в течение дня это число доходит до 7–8 т. Это примерно столько же, сколько вмещается в танкер объемом в 10 000 л. Этот объем крови на самом деле во многом зависит от состояния тела. Например, при активном движении частота сердечных сокращений увеличивается. Сердцу становится тяжелее, и оно начинает сильнее биться. В таком случае за один удар сердце прогонит большее количество крови. Считается, что при активном движении человека сердце может прогнать до 35 л крови за 1 мин, что в 7 раз больше, чем в состоянии покоя. При движении не только увеличивается частота сердечных сокращений, но и сердце начинает сильнее биться. Также и при испуге или волнении сердце тоже начитается биться быстрее и сильнее. Причиной подобного сильного биения сердца являются норадреналин1 и адреналин. Это одни из нейромедиаторов (гормоны мозга). Когда норадреналин и  адреналин находятся в  мозге человека в  умеренном количестве, то в состоянии среднего напряжения организм будет в норме, появится сосредоточенность и  позитивный настрой. Однако если норадреналина и адреналина станет много, появятся тревога и беспокой В целом норадреналин играет роль в активации сознания и мышления, а роль адреналина – в отправке возбуждающих сигналов во все органы тела.

1

18

ство; если же их будет недостаточно, может возникнуть депрессивное состояние.

Норадреналин и адреналин, вызывающие усиленное биение сердца

Если они в нужном количестве, самочувствие отличное

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Под воздействием удивления или волнения симпатической нервной системой выделяется норадреналин. Вследствие чего стимулируются клетки сердечной мышцы, и сердце начинает биться чаще и сильнее.

Глава

Если их слишком много – тревожно и беспокойно. Если их недостаточно – депрессивное состояние

Сердце, даже будучи отделенным от нервной системы, автоматически продолжает регулярные сокращения, именно поэтому возможна его трансплантация.

19

Пью только воду! Почему же при этом моча желтого цвета? Цвет мочи может быть темнее или светлее, но он практически всегда желтый. Основными элементами, влияющими на цвет мочи, являются продукты распада желтого пигмента билирубина1, содержащегося в желчи. В основном это урохром и уробилин. Кстати говоря, «уро» в их названиях означает «моча». Так как эти вещества хорошо растворимы в воде, они, попадая из почек в мочевой пузырь, выходят с мочой. Кроме того, многие из хорошо растворимых в воде элементов пищи являются желтыми. Они тоже оказывают влияние на цвет мочи. С другой стороны, содержащиеся в  пище и  напитках элементы других цветов часто плохо растворимы в  воде. Например, крупные частицы, придающие коричневый цвет кофе, или каротиновый пигмент – ликопин – обеспечивающий красный цвет помидоров, практически не растворяются в воде. Поэтому такие пигменты проще смешиваются с калом, чем с мочой. Например, если каждый день есть вьетнамские блюда, которые содержат много зеленых овощей, то кал станет зеленоватого цвета. Однако почему же моча иногда выглядит светлой, а иногда очень темной? Одной из причин является концентрация мочи. Если мочи мало, цвет ее темнее, и наоборот. Еще одна причина – это влияние цвета пищи и напитков, которые мы употребляли. Если съесть много мандаринов, содержащих растворимый в  воде желтый пигмент, или выпить много крепкого зеленого чая, то моча станет темно-желтой.

20

Билирубин образуется, например, в поджелудочной железе вследствие разрушения гемоглобина, содержащегося в эритроцитах, которым больше 120 дней.

1

Полая вена

Аорта Надпочечники

Почки

Продукты распада желтого пигмента урохром и уробилин хорошо растворяются в воде и выводятся с мочой

Мочеточник

Например, ликопин или каротиновый пигмент не растворяются в воде, и поэтому выводятся с калом

Мочевой пузырь

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Более того, среди растворимых в воде витаминов группы В много элементов желтого цвета. И если мы употребляем витамины в большем количестве, чем это необходимо организму, то они будут выводиться с мочой, делая ее при этом более желтой.

Уретра

Изначально почки образуют в день до 160 л первичной мочи, но большая ее часть снова всасывается в почечных канальцах. Объем же вторичной, выводимой из организма мочи составляет около 1,5 л в сутки.

21

Вирус гриппа А, В, птичий грипп... Почему возникают эпидемии гриппа? Грипп распространяется вирусами гриппа. Вирусы имеют простую структуру, размерами они меньше бактерий. Поскольку вирусы состоят только из белковой оболочки и нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), содержащей генетическую информацию, они не могут размножаться самостоятельно. Поэтому для размножения они паразитируют, например в человеке или в растениях. Вирусы гриппа содержат РНК, поэтому их называют РНК-вирусы. По сравнению с  ДНК-вирусами они больше подвержены мутациям. А  вирусы гриппа к тому же подвержены мутациям больше, чем прочие РНК-вирусы. Более того, предугадать, когда произойдет следующая мутация вируса и  появится новый вид гриппа, а также каковы будут его особенности, невозможно. Изначально, когда в организм человека попадает чужеродное вещество (антиген), в организме человека вырабатываются защищающие его антитела. Однако если вирус мутировал, то антиген у него уже будет другим, и организм не сможет защититься. Поэтому-то и возникают эпидемии гриппа. Грипп бывает двух видов: сезонный и грипп нового вида. Гриппы А, В и т. д. относятся к  сезонным. Вирусы сезонных видов гриппа, немного изменяя антиген, каждый год распространяются по всей планете. Вирус гриппа А1 самый распространенный, а  вирус гриппа С распространен меньше других. Для защиты от гриппа применяют вакцины, которые производят каждый год на основе прогнозов по распространению вирусов гриппа. Поэтому лучше ежегодно прививаться. Если же появляется вирус гриппа с сильно мутированным антигеном, то возникает эпидемия. Это и есть грипп нового типа. Так как в большин-

22

Известно 144 разновидности вируса гриппа А (16 видов НА × 9 видов NА).

1

В XXI веке были обнаружены гигантские вирусы1, которые перевернули имеющиеся до тех пор представления о вирусах. Поистине, это удивительно. z Схематическая структура вируса гриппа NА (нейраминедаза) "шип"

НА (гемагглютинин) "шип"

РНК-полимераза

Белок

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

стве случаев против подобного вируса нет антител, таким гриппом заражается гораздо большее количество людей по сравнению с сезонным гриппом.

Липидная оболочка

Высокопатогенный птичий грипп (Н5N1), который вызвал эпидемию (распространение в какой-либо области) в Китае, вызывает опасения тем, что может перерасти в пандемию (распространение по всему миру).

1

Такемура Масахару. Гигантские вирусы. Смена парадигмы эволюции жизни. Изд-во Kodansha.

23

Не переедаю и алкоголя много не пью! Почему же возникает язва желудка? По каким-то причинам желудок иногда начинает переваривать сам себя, разрушая на своих стенках слизистую оболочку и  мышечный слой под ней. Возникает дефицит слизистой оболочки. Это и является болезнью, называемой язва желудка. Желудочный сок переваривает в основном белки. Под воздействием желудочного сока белки расщепляются на более мелкие час тицы – пептоны. Но все равно они еще слишком велики для всасывания через стенки пищеварительного тракта. Поэтому далее в двенадцатиперстной кишке под воздействием панкреатического сока они расщепляются (перевариваются) на еще более мелкие час тицы – аминокислоты. Однако так как внутренние стенки желудка состоят из белка, желудочный сок обладает способностью их тоже расщеплять. Конечно, чтобы этого не произошло, внутренние стенки желудка защищены от желудочного сока слизистой оболочкой. Однако не так давно внимание ученых привлекла бактерия Helicobacter pylori1. Желудочный сок состоит из трех компонентов: расщепляющего белок пепсиногена, соляной кислоты и слизи. Эти три вида компонентов вырабатываются разными желудочными железами. Отнесем пепсиноген и  соляную кислоту к  агрессивным факторам, а  слизь  – к  защитным. Традиционная теория баланса такова, что если агрессивные или защитные факторы становятся слишком сильны или слишком слабы, возникает язва желудка. Выделяемые этой бактерией токсины посылают ложные сигналы клеткам в  слизистой оболочке желудка, заставляя их отслаиваться. Тем самым ткани желудка подвергаются непосредственному воздействию желудочного сока и  пищеварительных ферментов, что и приводит к язве желудка.

24

Helicobacter pylori проникает в слизистую желудка, и чтобы не погибнуть от соляной кислоты, она расщепляет мочевину, выделяя аммиак, который и защищает ее от соляной кислоты.

1

Пищевод Мышечный слой Слизистая оболочка

Область проникновения Helicobacter pylori в слизистую желудка

Кардия

Складки слизистой оболочки

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Helicobacter pylori происходит из экскрементов человека, однако в грязной среде она попадает в желудок одного человека изо рта другого. Но не все носители бактерии Helicobacter pylori заболевают язвой желудка. Так, в Японии около половины населения является носителями этой бактерии, но язвой желудка из них болеют только около 4 %. Для объяснения того, что остальные 96 % населения нормально сосуществуют с бактерией, традиционная теория баланса считается эффективной.

Helicobacter pylori

Жгутики

Отверстие привратника ...в двенадцатиперстную кишку

Среди носителей Helicobacter pylori в Японии более 70 % старше 40 лет, среди молодых людей процент носителей такой же, как в Западном мире, – около 20 %. Это связывают с тем, что в довоенный и послевоенный периоды была плохая санитарная обстановка.

25

Болезнь, которой страшнее всего заболеть! Почему возникает рак? Рак – это болезнь, вызывающая аномалии в нормальных клетках, когда они начинают делиться и их количество возрастает. Обычно когда клетка делится, возникает новая клетка, абсолютно идентичная исходной. Но иногда случаются ошибки. Причинами этих аномалий являются воздействия на дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) радиации, химических веществ, курения, канцерогенов из пищи, онковирусов и т. д. Таким образом, рак легче возникает в местах, где создаются новые клетки. Поэтому у взрослых людей рак не возникает в местах, где больше не происходит деление клеток, например в сердце, скелетных мышцах или клетках мозга. Когда в  генах возникает аномалия, такая что они могут обычные клетки сделать раковыми, подобные гены называют онкогенами. И таких онкогенов известно уже более ста. Пока онкоген не активизируется в этом качестве в нормальных клетках, он выполняет важную для существования человека роль в пролиферации и дифференциации клеток при их делении. Однако если в нем возникнут аномальные изменения, он может вызвать такую тяжелую болезнь, как рак. Нормальные клетки имеют ограниченное количество клеточных делений, раковые же клетки такого предела не имеют. Они продолжают бесконтрольно беспрестанно1 делиться. При появлении раковых клеток иммунная система человека начинает их бесстрашно атаковать. Поэтому большая часть раковых клеток уничтожается, однако оставшаяся часть, даже будучи повреж денной, понемногу меняет свои гены и выживает.

26

Это также является аргументом против использования ИСК-клеток (индуцированных стволовых клеток).

1

Радиация

Химикаты

Вирусы

Курение

Генная аномалия

Нормальные клетки

Жирное

Соленое

Жареное

Раковые клетки

Плесень*

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Таким образом, упорно эволюционируя, раковые клетки делятся и увеличиваются в  количестве. В  таком случае иммунная система человека уже не может с  ними справиться, и  приходится прибегать, например, к хирургической операции.

Алкоголь

* В особенности в орехах, рисе.

Противораковые препараты обладают способностью останавливать рост и деление раковых клеток. Существует также индукционная терапия, направленная на превращение раковых клеток в нормальные.

27

Мучения каждую весну! Откуда берется сенная лихорадка? Сенная лихорадка – это аллергическое заболевание, вызванное аллергенами (антигены, вызывающие аллергическую реакцию) вроде пыльцы деревьев, например кедра и кипариса, или цветочной пыльцы злаковых, сложноцветных и т. д. Обычно здоровое состояние организма человека обеспечивается работой иммунной системы. Когда в  организм проникают вирусы или бактерии, их захватывают антитела иммунной системы, а затем лейкоциты от них избавляются. Среди этих антител есть и так называемые иммуноглобулины Е (IgE)1. Эти IgE-антитела объединяются в организме человека с одним из видов лейкоцитов  – тучными клетками. При этом выделяется хранящееся в этих клетках химическое вещество – гистамин. Этот гистамин является важным средством для защиты организма человека от аллергии. При попадании в организм извне посторонних веществ вроде пыльцы гистамин, расширяя капилляры, продвигает эти аллергены в кровь. Более того, сокращая гладкие мышцы внутренних органов, гистамин предотвращает проникновение аллергенов в другие места. Таким образом он пытается изгнать как можно больше пыльцы из организма. Тогда-то и  возникает сенная лихорадка. Чиханием организм пытается выбросить инородные вещества, а с помощью соплей и слез – вымыть их наружу. Кроме того, заложенный нос защищает организм от проникновения новых инородных веществ. Это механизм возникновения сенной лихорадки. То, что у  определенного человека возникает аллергическая реакция на некий аллерген, означает, что у этого человека есть особые IgE-антитела против данного аллергена.

28

Антитела связываются с тучными клетками, и когда антиген прикрепляется к IgE-антителу, тучная клетка разрывается, выделяя гистамин, который и вызывает аллергическую реакцию.

1

z Схема возникновения сенной лихорадки Аллерген Цветочная пыльца

3 Кровеносный сосуд

Пыль 1

Шерсть домашних животных

 Чихание, насморк, заложенный нос = воспаление носа  Раздражение глаз, гиперемия, слезоточивость = воспаление слизистой оболочки

Аллерген (антиген)

Тучная клетка

Гистамин

Глава

1 Химия человека. Что происходит в человеческом теле?

Кстати говоря, различные аллергические заболевания, включая сенную лихорадку, особенно распространились в последние 40 лет. Это произошло не потому, что увеличилось количество людей, склонных к аллергиям, а из-за изменений окружающей среды. И даже те, кто ранее не был подвержен аллергическим реакциям, стали страдать от аллергических болезней.

Кровеносный сосуд

Секреторная железа (есть по всему организму)

2

1. Аллерген объединяет тучные клетки с IgE-антителами, в результате чего из тучных клеток выделяется гистамин. 2. Химические вещества воздействуют на кровеносные сосуды и секреторные железы. 3. Происходит расширение кровеносных сосудов и увеличение секреции.

Когда гистамина становится слишком много, уменьшается количество крови, поступающей в мозг, и бывают случаи, что человек теряет сознание, и в результате резкого падения кровяного давления может остановиться сердце.

29

Так часто переходящее в привычку действие! Почему хрустят пальцы? У некоторых людей пальцы иногда хрустят. Этот звук производят лопающиеся пузырьки в суставах пальцев. Место, где встречаются два сустава, находится в так называемой суставной капсуле. Эта капсула внутри заполнена синовиальной1 (суставной) жидкостью, которая позволяет суставам плавно двигаться. Начиная с этой синовиальной жидкости, жидкости в герметичном пространстве обладают свойством при снижении давления генерировать газ. Также и  в  пальцах при сгибании и  разгибании суставов, когда давление снижается, образуются пузырьки газа. Если затем еще раз вытянуть пальцы, пузырьки будут лопаться, издавая характерный хруст. Синовиальная (суставная) жидкость Здесь образуются и лопаются пузырьки газа Синовиальная оболочка Суставной хрящ

30

В момент, когда лопается пузырек газа, работает сила более чем в 1 т, хотя и на очень маленькой площади.

Суставная капсула

С иновиальная жидкость – это щелочная прозрачная жидкость, похожая на белок яйца. Она содержит белок и гиалуроновую кислоту, и ее задача – обеспечивать плавную подвижность суставов.

1

II

Пищевая химия

Вкусное, питательное чудо!

Жареное мясо, жареная курица! Почему мясо становится таким вкусным, если его пожарить? Все-таки стейк – это очень вкусно! Конечно, если речь не идет о людях, которые не любят мясо. Изначально мясо животных, когда они умирают, твердеет. Это происходит из-за того, что прекращается поступление кислорода вследствие прекращения дыхания, в  мышцах из гликогена вырабатывается молочная кислота, повышается осмотическое давление, и в результате в мышцах задерживается жидкость. Затем, по прошествии некоторого времени, под воздействием протеолитических ферментов мышцы начинают саморазрушаться и снова становятся мягкими. Более того, так как белок расщепляется на аминокислоты, появляются элементы с умами1, которые улучшают вкус. В любом случае, в твердом виде есть мясо трудно. Потому что мышцы обернуты прочной соединительной тканью из мышечных волокон и коллагена. При воздействии огня коллаген сжимается, а  со единительная ткань при нагревании распадается, подобно звеньям в цепи, и желатинизируется. Таким образом, соединительная ткань становится слабой, мышечные волокна распадаются, и мясо становится мягким. Одним из способов нагревания и является жарка мяса, например стейка. Кстати говоря, жарка – очень древний способ2 приготовления пищи, известный с тех пор, как человек открыл для себя огонь. Такие способы приготовления, как варка и готовка на пару, известны всего лишь около 10 000 лет. А обжарка и фритюр появились, только когда люди начали использовать масла. Итак, коллаген при жарке становится мягким. Однако когда нагревается белок в составе миофибрилл (тонкие волокна в составе мышечных волокон), то в результате денатурации и коагуляции белок твердеет. Поэтому,

У мами – вкус белковых веществ, в ряде стран выделяемый в отдельный пятый вкус. – Прим. перев. В ероятно, этот способ приготовления был открыт случайно, когда люди попробовали есть мясо диких животных, найденное после лесных пожаров.

1

2

32

чтобы вкусно пожарить стейк, нужно соблюсти баланс между желатинизированием коллагена и затвердением мио фибрилл.

Аминогруппы (белок, аминокислоты и т. п.)

Нагревание

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Если хорошо пожарить стейк, в нем образуются меланоидины. Это вещества, образующиеся при нагревании содержащихся в  пище сахаров и аминокислот. Меланоидины лежат в основе сладковатого вкуса умами, который можно ощутить, например, при поджаривании риса или в корочке темпуры.

Глава

Меланоидины

Сахара (глюкоза, фруктоза, мальтоза и т. п.)

Содержащийся в большом количестве в говядине триптофан способствует увеличению серотонина, называемого еще гормоном счастья.

33

Саке, ликеры, вино, виски! Почему алкоголь можно получить разными способами: пивоварением, виноделием и дистилляцией? Первыми алкогольными напитками, которые начали употреблять люди, были фруктовые вина1. Если из тертого с  кожурой яблока сделать сок и оставить его в бутылке, то на следующий день в нем начнется брожение. Так как в яблочной кожуре содержатся природные дрожжи, необходимые для ферментирования алкоголя, то, начав бродить, сок превратится в алкогольный напиток. Для приготовления алкоголя методом брожения используется два типа сырья: глюкозное и  крахмалистое. Глюкозное сырье – это сырье , содержащее сахара (особенно глюкозу). Глюкоза, например, содержится во фруктах вроде яблок и винограда. Вследствие брожения под воздействием дрожжей получатся яблочное и виноградное вина. К крахмалистому сырью же относятся зерна (например, рис, пшеница или кукуруза) и  разные виды картофеля, где основным ингредиентом является крахмал. В обычных условиях производящие алкоголь дрожжи не потребляют крахмал, и поэтому не ферментируют алкоголь. Поэтому сначала необходимо произвести процедуру осахаривания, в  процессе которой крахмал расщепляется до сахаров. Для этого, например, в Японии и  Юго-Восточной Азии используется специальная плесень кодзи. В  ней содержится фермент амилаза, который и  осуществляет осахаривание, после чего дрожжи приступают к брожению. В процесс приготовления саке входит приготовление опары кодзи посредством добавления к рису плесневых грибков кодзи. Люди и некоторые человекообразные обезьяны имеют ген, способный расщеп лять алкоголь. Может быть, когда-то пьяная обезьяна упала с дерева, и так стала человеком?!

1

34

В западном мире для расщепления крахмала используют содержащуюся в солоде амилазу.

Крахмалистое сырье

Глюкозное сырье

Ингредиенты Виноград Яблоки Прочие фрукты Меласса Молоко Рис Ячмень Рожь Кукуруза Картофель Сладкий картофель

Осахаривание Брожение

Кодзи Солод

Виноградные вина Яблочные вина Медовуха Кефир Кумыс Очищенное саке Китайская рисовая водка Пиво

Дистилляция

Смешанные напитки

Бренди Ром

Сладкие виноградные вина Лекарственные настойки Ликеры Кюрасао Сётю Абсент Маотай Виски (солодовый, Мирин купажированный) Смешанные виды саке Водка Джин

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

z Различные виды алкогольных напитков

Глава

Таким образом, из ячменя получают солод и производят пиво. К алкогольным напиткам, полученным с помощью брожения, относятся: пиво, очищенное саке, виноградные вина и т. п. Более же крепкие алкогольные напитки получают с помощью дистилляции. Если говорить упрощенно, дистилляция – это производство алкоголя с  помощью выпаривания продуктов брожения. Например, при дистилляции продуктов брожения риса, пшеницы или картофеля получается сётю1. Напитки, полученные в результате дистилляции, называют еще крепкими спиртными напитками. Кроме виски и сётю к ним относятся также водка, текила, джин, ром и прочие напитки, часто служащие основами для коктейлей.

Если к алкогольным напиткам, полученным с помощью брожения или дистилляции, добавить сок фруктов или настойки трав, получатся смешанные напитки, называемые ликерами, к ним относится, например, сливовое вино.

1

Сётю – японские крепкие спиртные напитки. Обычная крепость около 25°. – Прим. перев.

35

Изначально было молоко! Почему же сыр твердый? Из молока коров, коз, овец изготавливают йогурты и сыры. Использование молока животных людьми началось примерно 6000 лет назад, когда населявшие равнины Центральной Азии люди научились приручать животных, а человеческие дети стали пить их молоко, отбирая его у детенышей животных. В секреторных железах животных в области грудей и сосков обнаружено большое количество молочнокислых бактерий. Молочнокислые бактерии защищают молоко, которое пьют детеныши животных, от вредоносных бактерий. Молочнокислые бактерии питаются содержащейся в  молоке лактозой. Попадая в организм человека, они вызывают молочнокислое брожение, вследствие чего образуется молочная кислота, которая выводится из организма. Молочная кислота обладает антибактериальными свойствами, и, являясь кислотой, она предотвращает увеличение численности множества гнилостных бактерий. Поэтому кисломолочные продукты хорошо хранятся, ведь гнилостным бактериям трудно в них проникнуть. По этой причине йогурты и сыры имеют длительный срок хранения. Вероятно, первыми кисломолочными продуктами были полужидкие продукты вроде йогурта. Если есть такой полужидкий кисломолочный продукт, содержащий молочный жир, то с каждым днем верхняя часть оставшегося несъеденным продукта будет понемногу затвердевать, а вокруг будет образовываться водянистая жидкость. Если же снова попытаться сделать получившийся продукт однородным и хорошенько его перемешать, то он разделится на твердую и жидкую части. Так как при размешивании разрушится пленка вокруг полужидкой части, и содержащийся в ней жир освободится, всплывет и затвердеет. Это образовалось масло.

36

Если уже на этом этапе руками отжать получившуюся массу и добавить соль, получится очень вкусно. Если же оставить эту массу сушиться на солнце, то вода выпарится, а вкус станет более концент рированным. Так и получится сыр. z Изготовление сыра

1. Пастеризация сырого молока посредством нагревания на низких температурах

2. Добавление молочнокислых бактерий, добавление ферментов (например, реннина) для коагуляции

3. Разрезание на мелкие части для высвобождения сыворотки

4. Нагревая, осторожно помешивать. Затем, заполнив форму, отжать сыворотку, оставить ее ферментироваться и вызревать

Глава

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Убрав масло, посмотрим на оставшуюся жидкость. На дне ее должен образоваться осадок. Если попробовать его поварить, осадок начнет скапливаться. Это происходит коагуляция белка под названием казеин1.

Коагуляция казеина из молочной кислоты возможна только в жарких странах. В прочих регионах используется реннин – белок, получаемый из четвертого отдела желудка телят.

1

Сгустки белка казеина образуют коллоидные частицы. Молоко выглядит белым и мутным изза диффузного отражения света от поверхности коллоидных частиц.

37

Бекон, ветчина – это консервированные продукты! Почему копчение увеличивает срок хранения? Копченые продукты, например бекон, салями, вяленая говядина или копченый лосось, не только очень вкусны, но и  могут долго храниться. Получаются они в  результате выдерживания исходных продуктов в дыму от горящих дров или опилок деревьев вроде сакуры либо бука. Есть две основные причины, почему продукты копчения могут долго храниться. Первая причина в том, что при копчении мяса или рыбы в них уменьшается количество влаги, то есть они высушиваются. Гние ние продуктов питания вызывают микробы, которые тоже живые организмы. И им трудно размножаться в среде, где влажность ниже 40 %. Поэтому-то копченые продукты плохо портятся. Вторая причина – это эффект дыма. При копчении обеспечивают дефицит кислорода, чтобы дрова и опилки сгорали не полностью. Так как если они сгорят полностью, дыма не будет, а значит, и копчение прекратится. В образованном вследствие неполного сгорания дыме содержатся негорючие мельчайшие частицы, среди которых есть формальдегид1 из группы альдегидов и  фенол2. Формальдегид и  фенол при полном сгорании превращаются в обычные углеводы и воду. И тот, и другой легко вступают в реакцию с белками живых организмов, поэтому они изменяют белки микробов, прячущихся в продуктах питания. В результате чего микробы погибают, а копченые продукты не портятся. Альдегид – это общее наименование для соединений с альдегидной группой (-CHO). Формальдегид (HCHO) является самым простым соединением, обладающим сильными восстановительными свойствами. 2 Фенолы  – общее название для производных ароматических углеводородов, в  состав которых входят гидроксильные группы (-ОН). Используются для дезинфекции, сходны с крезолами. 1

38

Кстати говоря, причина дискомфорта при попадании дыма в глаза в том, что формальдегид раздражает белок, формирующий глазной хрусталик. Но что касается формальдегида в копченых продуктах, то он там содержится в безопасных для человека количествах, по этому не стоит волноваться. z Как сделать простое копчение

Глава

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Прикрепляясь к поверхности продуктов копчения, альдегиды, например формальдегид, убивают и  новые микробы, которые пытаются проникнуть в  продукт. Более того, связываясь с  белком на поверхности продукта, они образуют плотную корочку. Эта корочка, защищая продукт от проникновения извне различных бактерий, еще больше увеличивает срок хранения копченых продуктов.

Дно кастрюли застелите фольгой, а на фольгу выложите коптильные щепки. Подвесте решетку, на которую положите продукты. Накройте крышкой и нагревайте.

В наше время, когда появилось множество способов хранения продуктов, копченые продукты воспринимаются скорее как деликатесы. Раньше же специи, например, использовались, чтобы устранить плохой запах.

39

Почему рис едят вареным? Для японцев совершенно естественно есть вареный рис. Однако если подумать, варка риса – довольно необычный способ приготовления. Рис примерно на 75,6  % состоит из крахмала. Крахмал не растворяется в воде и плохо переваривается, поэтому сырой рис есть нельзя. Если съесть сырой или полусырой крахмал, это вызовет расстройство желудка. Так как желудок человека не содержит ферментов для переваривания сырого крахмала, в отличие, например, от коров. Нерастворимый в  воде и  плохо перевариваемый крахмал называют бета-крахмалом. Если же к  такому крахмалу добавить воды и  нагреть, чтобы произошла желатинизация1, то он будет называться альфа-крахмалом. Такой альфа-крахмал человек уже может переваривать и усваивать. Вы, должно быть, подумали, что раз достаточно добавить воды и  нагреть, то можно просто отварить. В принципе, так и есть, однако чтобы рис стал вкусным, просто отварить его не достаточно. Мы рассмотрели, почему необходима желатинизация риса с  по мощью воды и нагревания. В этом случае если воды не хватит, то рис не отваришь, поэтому, разумеется, необходимо достаточное количество воды. Однако и лишней воды после приготовления риса не должно остаться. Лучше всего, если жар проникнет до самого центра риса, вода полностью впитается, а поверхность рисовых зерен будет достаточно сухой. Для этого после приготовления рис нужно оставить минут на 15–30, чтобы он пропарился. Такой способ приготовления, когда пос ле варки добавляется пропаривание, чтобы вода со дна кастрюли исчезла, и является самым правильным. В  идеале температура на поверхности соприкосновения дна кастрюли и риса должна быть больше 220 °С. В этом случае рис получится наиболее вкусным, а на дне его образуется тонкая поджаренная коричневатая корочка с тонким ароматом.

40

Кристаллическая структура крахмала распадается и расширяется, образуется клейкая масса.

1

z Желатинизация крахмала

Глава

2

Сырой крахмал (β-крахмал)

Перевариваемый

Добавить воды и нагреть

Желатинизация (α-крахмал)

Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Нерастворимый в воде, плохо перевариваемый

Клейкий рис нельзя приготовить описанным выше способом, хотя это тоже рис. Такой рис необходимо готовить на пару.

41

Глютен – это на самом деле белок! Почему из пшеничной муки получается хлеб? Пшеничная мука содержится и  в  хлебе, и  в лапше, и  в  различных сладостях. Секрет муки, позволяющей ей принимать такие разные формы, лежит в глютене. Глютен – это особый белок, содержащийся в муке. Основной ингредиент муки – это крахмал, занимающий в ее составе около 70 %, однако от 7 до 15 % в составе муки занимают белки. Это в основном два вида белка: глиадин и глютенин. Если к муке добавить воды и хорошенько перемешать, молекулы этих двух белков переплетутся и образуют сетчатую структуру. Это и будет глютен. В зависимости от количества содержащегося в ней глютена мука бывает трех видов: сильная, средняя и слабая. Для хлеба и макарон нужно много глютена, и используется сильная мука, а, например, для сладостей требуется мягкая слабая мука с низким содержанием глютена. Для разного вида лапши вроде удона и рамена1 нужны одновременно и мягкость, и упругость, поэтому наилучшим образом подойдет средняя мука. Чтобы получить пышный хлеб, надо добавить в  тесто хлебопекарные дрожжи2. Дрожжи, используя в качестве источника энергии небольшое количество сахара, увеличиваются в  объеме и  производят углекислый газ. Этот газ поднимает тесто. При изготовлении сладостей в тесто добавляют бикарбонат натрия (соду) и  нагревают, при этом выделяется углекислый газ, который поднимает тесто. Либо можно добавить взбитые яйца или яичный белок и тоже нагреть. Кстати говоря, при изготовлении рамена муку смешивают с  сильным солевым щелочным водным раствором. При тщательном смешивании муки со щелочным раствором меняется способ соединения молекул глютена, и лапша приобретает твердость. Удон и рамен – разные виды пшеничной лапши, популярные в Японии. – Прим. перев. Х лебопекарные дрожжи – это одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к  тому же типу, что и пивные дрожжи. Для каждой области применения были отобраны подходящие виды.

1

42

2

Глютеновая пленка

Фу-у

Углекислый газ

Глютеновая пленка охватывает образуемый дрожжами углекислый газ, вследствие чего тесто поднимается

Глава

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Таким образом, разнообразие видов изделий из муки также зависит от включаемых в их состав добавок. Например, добавление сахара уменьшает влажность в  тесте и  тем замедляет образование глютена, вследствие чего снижается эластичность и вязкость теста. В таком случае тесто становится более мягким и обретает пористую структуру, что идеально для выпечки.

Дрожжи

Добавление же жиров препятствует контакту белков и воды и мешает образованию глютена, поэтому тесто получится слабым.

43

Жевательную резинку делают из сока растений?! Почему жвачка становится мягкой? Жевательная резинка обладает удивительным свойством – будучи изначально твердой, при жевании становиться мягкой. В  основе жевательной резинки, которая и  остается во рту после жевания, на самом деле лежит сок растения. Это млечный сок гигантских деревьев саподилла, произрастающих в таких странах Центральной Америки, как Мексика, Гватемала, Гондурас и т. д. Считается, что уже примерно в IV веке н. э. проживавшие в этом регионе народы майя и ацтеки делали надрезы на деревьях саподилла, чтобы добыть их млечный сок, варили его и получали так называемый чикл, который и жевали. Это и был прототип современной жевательной резинки. В Мексике слово «чикл» означает «жевать что-либо». С падением цивилизации майя чикл распространяется среди мексиканских индейцев. Более того, он становится популярным у переселенцев из Испании, а затем начинает продаваться в США. В Японии жевательная резинка, произведенная внутри страны, продавалась с периода Тайсё1, но не пользовалась особой популярностью. Большую популярность она приобрела после Второй мировой войны под влиянием американских солдат. На месте сбора растительной смолы2 вроде чикла ее варят и уже в таком виде, с влажностью около 30 %, поставляют в Японию. Затем к смоле добавляют, например, поливинилацетат, эфирные смолы, карбонат кальция, хорошо все смешивают и  получают основу жевательной резинки. Поливинилацетат в  особенности отвечает за то, чтобы твердая жвачка становилась мягкой. Явление, когда некоторые вещества, например полимеры, при высоких температурах имеют мягкую резиноподобную форму, а при понижении температуры становятся твердыми как стекло, называется стекловани Период Тайсё длился с 1912 по 1926 год. – Прим. перев. Растительная смола – как следует из названия, это вязкое вещество, получаемое из деревьев вроде сосны или пихты. Имеет свойство затвердевать на воздухе.

1

44

2

ем. Обратный процесс называется размягчением. Температура, при которой происходят эти изменения, называется температурой стеклования.

Продолжим рассказ о производстве жевательной резинки. Базовую основу жевательной резинки затем делят на маленькие кусочки и добавляют, например, сахар, глюкозу, кукурузный сироп, ароматизаторы, размягчители, и все перемешивают. Если хорошо все перемешать, можно сформировать тонкий лист, который остается лишь присыпать сахарной пудрой и разрезать на порции.

Размягчители

Ароматизаторы

Глюкоза

Сахар

Поливинилацетат

Кукурузный сироп

Чикл, разделенный на блоки

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Значение температуры стеклования поливинилацетата находится между комнатной температурой и  температурой человеческого тела. Поэтому-то в процессе жевания во рту жевательная резинка постепенно из твердой становится мягкой.

Глава

Жевате резинк льная а

Основа

С недавних пор в жевательные резинки стали часто добавлять различные ингредиенты для защиты от кариеса, например палатинозу (один из видов олигосахаридов).

45

Такое вкусное зимнее1 блюдо! Почему печеная картошка сладкая? Под пищеварением подразумевается путь еды изо рта вниз по пищеводу, в процессе которого еда всасывается и питает организм. Однако если просто поместить пищу в пищеварительный тракт, питательные вещества организмом не усвоятся. Например, входящие в  состав крахмала сахара, жиры и белки не могут быть усвоены просто так. Для усвоения питательных веществ в пищеварительном тракте человека выделяются ферменты. Благодаря ферментам питательные вещества расщепляются на маленькие, легко растворимые в воде частицы, которые уже проникают в  организм. Это расщепление еды называется химическое пищеварение. Чтобы помочь химическому пищеварению, большие куски пищи дробятся на мелкие, и пища смешивается с пищеварительным соком, такие процессы называются механическим пищеварением. Пережевывание и раскусывание пищи зубами тоже относится к механическому пищеварению. Когда пищеварение и всасывание питательных веществ осуществ ляется в  пищеварительном тракте  – после чего питательные ве щества через кровь поступают в клетки организма, – такое пищеварение называется внеклеточным. При внеклеточном пищеварении с помощью пищеварительных ферментов происходит расщепление крахмала, жиров, белков. Однако для каждого типа питательных веществ используются разные пищеварительные ферменты. Например, крахмал расщепляется на олигосахариды пищеварительным ферментом амилаза2. На самом деле амилаза содержится и в картофеле. Разные пищевые ферменты, расщепляющие не только крахмал, но и жиры и белки, содержатся в  различных растениях. Они играют роль в  прорастании семян. Пищеварительные ферменты в растениях вызывают химические реакции В Японии печеная картошка считается зимним блюдом. – Прим. перев. Амилаза, ранее называемая диастазой, главным образом выделяется слюнными железами и поджелудочной железой.

1

46

2

внутри клеток. Однако эти химические реакции совершенно такие же, как и те, что происходят в пищеварительном тракте у животных.

z Сладость печеного картофеля обеспечивается амилазой

Сладость

Сладость

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Когда температура внутри картофеля достигает примерно 50 °С, то содержащаяся в нем амилаза начинает расщеплять крахмал. В результате чего увеличивается содержание сахара и, соответственно, сладость картофеля. И  чем дольше картофель находится в таком умеренном тепле, тем слаще он будет.

Глава

Сладость Амилаза

Сладость Сладость

Сладость

В теле живых организмов существуют различные ферменты. Ферменты обладают свойством субстратной специфичности, которое означает, что определенный субстрат (вещество) расщепляется только определенным ферментом.

47

В японском языке слово «грибы» буквально означает «дети деревьев»! Почему они так называются? Считается, что в японском языке слово «грибы» (киноко) происходит от иероглифов, означающих «дети деревьев». Некоторые из грибов имеют названия, связанные с названиями деревьев, на которых они растут. Например, грибы эноки растут на деревьях эноки (каркас китайский), грибы шиитаке растут на деревьях шии (кастанопсис), а грибы мацутаке растут под соснами (по-японски «мацу»). Грибы играют важную роль в экосистеме лесов. В оказавшихся на поверхности земли останках растений первым делом бактериями и  плесенью разлагаются углеводы, азотные соединения и  крахмал. Далее бактерии, плесень и  грибы разлагают вещества вроде целлюлозы и  гемицеллюлозы. Более того, грибы расщепляют такой компонент, как лигнин, и в конце концов минерализуют его, так что он повторно используется растениями. Таким образом, участвуя в переработке леса, грибы, можно сказать, являются и родителями деревьев. Грибы можно разделить на три категори1 по способам получения питательных веществ. Симбиотические грибы (микоризные) Такие грибы формируют микоризу (симбиоз) на корнях живых растений и в обмен на получение низкомолекулярных сахаров снабжают растения неорганическими солями и водой, которые гифа грибов получает из поч вы и органических веществ. Грибы-паразиты Такие грибы паразитируют на растениях или животных, в одностороннем порядке поглощая их питательные вещества. Например, довольно известен гриб Кордицепс китайский, который паразитирует на насекомых и других грибах. Грибы принадлежат к царству грибов, куда относятся также дрожжи и плесень. Иногда их можно спутать с бактериями, но бактерии являются прокариотами, а грибы – эукариотами.

1

48

Кстати говоря, в  Японии больше всего производят именно шиитаке. Культивирование этих грибов началось еще в эпоху Эдо1. В то время на дубовых бревнах делали специальным ножом надрезы и  оставляли их в горах. Затем ждали, пока туда попадут споры грибов. Так их и выращивали. Путем проб и ошибок в 18-й год Сёва2, во время войны, был получен патент на инокулят чистой культуры шиитаке, выращенный на куске дерева. Благодаря эффективному применению этого способа шиитаке распространились по всей стране.

Грибы-паразиты Например, кордицепс китайский

Глава

2 Пищевая химия. Вкусное, питательное чудо!

Грибы-сапрофиты Такие грибы получают питательные вещества из останков живых организмов. К этому виду принадлежат многие из культивируемых грибов, например шиитаке.

Грибы-сапрофиты Например, эноки, шиитаке

Симбиотические грибы (микоризные) Например, мацутаке

Грибы мацутаке растут в симбиозе с красной японской сосной. Поэтому для их искусственной культивации нужна живая сосна. Для чего необходимо обеспечить ряд условий, таких как подходящие климат и почву. Поэтому культивировать мацутаке довольно трудно.

Эпоха Эдо длилась с 1603 по 1868 г. – Прим. перев. 18-й год эпохи Сёва (1926–1989) – это 1943 год. – Прим. перев.

1 2

49

Почему когда выпьешь алкоголь, хочется поесть рамен1? Когда мы пьем алкоголь, в наш организм попадает этанол, который проникает также и в нервные клетки. При этом хуже становится передача команд нейронов, и  активность мозга замедляется. А  чтобы мозг смог восстановить функции нейронов, ему необходимы ионы натрия2 (Na+), которые участвуют в  передаче сигналов. А  больше всего их содержится в NaCl, то есть в пищевой соли. Поэтому мозг отдает приказ: «съесть соль». Кроме того, при употреблении алкоголя в организме снижается содержание глюкозы, которая необходима для мозговой деятельности. И поэтому мозг также отдает приказ: «поесть глюкозы». Глюкоза является компонентом углеводов. Плюс ко всему происходит обезвоживание организма, поэтому нам требуется также вода. А соль + углеводы + вода = рамен.

По тем же причинам после алкоголя, бывает, хочется риса с мясом или сладостей. В сладостях, например, содержится и соль, и сахар.

Углеводы

Na+

Глюкоза

Рамен – блюдо японской кухни. Представляет собой лапшу в бульоне, обычно довольно калорийное. – Прим. перев. 2 Все клетки постоянно испускают Na+ и  поглощают К+. При возбуждении нервных клеток Na+ проникает внутрь клеток, и возникает дефицит внеклеточного Na+.

1

50

Соль NaCl

III

Химия окружающего мира

Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Почему шариковая ручка может так плавно писать? В превосходном механизме шариковой ручки главную роль играет шарик на ее конце. Принимая на себя сопротивление бумаги, этот шарик поворачивается, вследствие чего вытягиваются чернила. Таким образом, из-за вращения шарика чернила переносятся на бумагу. Можно сказать, что это своего рода крошечная печатная машинка. Шарик на кончике стержня проталкивают молотком в отверстие гнезда так, что он примерно на 30 % высовывается наружу. Затем края зажима наружной части шарика сжимают и вдавливают внутрь. Если сжать их слишком слабо, шарик не будет держаться, а если сжать слишком сильно, то шарик не сможет вращаться. По этому важно сжать их правильно. Сам шарик и часть корпуса ручки, с вмещающим этот шарик гнездом, называются наконечником. Наконечник соединяется с  чернильным стержнем. Диаметр шарика равен 0,5–0,7 мм. Чтобы шарик плавно вращался, а писать ручной было приятно и  удобно, необходимо, чтобы шарик был идеально круглым. Погрешность сферичности такого шарика составляет менее трех десятитысячных миллиметра, что обеспечивает большую точность, чем в механизме наручных часов. Если шариковой ручкой за 1 секунду нарисовать линию длиной в 10 см, то за это время шарик диаметром 0,7 мм совершит 45 оборотов, а шарик диаметром 0,5 мм совершит 60 оборотов. Это значит, что шарик в ручке вращается быстрее, чем колеса в  скоростных поездах синкансен. Поэтому шарик должен быть устойчив к трению и  обладать превосходной износостойкостью. По этой причине для изготовления таких шариков используют очень твердые материалы вроде карбида вольфрама1, рубина или керамики. Гелеобразные чернила под воздействием силы тяжести поступают к шарику. Поэтому шариковой ручкой нельзя пользоваться там, где отсут-

52

Карбид вольфрама – это карбид (неорганическое соединение), состоящий из одинакового количества атомов вольфрама и углерода.

1

z Устройство шариковой ручки Наконечник Корпус Шарик

Отверстие для чернил Гнездо Чернильный желобок

Стержень

Чернильная трубка

В стираемых ручках роль чернил выполняют микрокапсулы с тремя видами веществ, которые изменяются под воздействием температуры трения, и чернила при этом становятся прозрачными.

Глава

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

ствует притяжение. Помимо передачи краски на бумагу чернила также играют роль смазки между шариком и корпусом ручки. Поэтому необходимо, чтобы чернила поступали постоянно, а качест во их не менялось на протяжении длительного времени.

53

Почти все ластики сейчас делаются из пластика! Как же они стирают? Стирательные резинки, т. е. ластики, как следует из названия, раньше делались из натуральной резины. Однако в настоящее время они делаются в  основном из пластика. Такие ластики состоят из поливинилхлорида, пластификатора диоктилфталата и  керамического порошка. Их тщательно смешивают в пропорции 2:3:1. Пластификаторы – это вещества, которые добавляют к пластику, чтобы он мог быть обработан при более низких температурах и при более низком давлении, чем требуется пластику без добавок. Обычно пластификаторы играют вспомогательную роль. Однако в  ластике возможность стирания обеспечивается именно пластификатором диоктилфталат. Хотя мы и говорим, что ластик пластиковый, но пластик поливинилхлорид в его составе не выполняет работу по стиранию. Роль поливинилхлорида – крепко удерживать пластификатор. Но как же все-таки ластик стирает? Если посмотреть на поверхность бумаги под микроскопом, то увидим перепутанные бумажные волокна. Частицы грифеля карандаша цепляются за эти волокна и оставляют рисунок. Масло же пластификатора в ластике обладает большой силой связывать частицы грифеля1, и эта сила в несколько сотен раз превосходит силу, с которой частицы крепятся к бумаге. Поэтому пластификатор, касаясь частиц грифеля, захватывает их с бумажных волокон и удаляет с бумаги, подобно тому, как магнит притягивает железо. Легко ошибиться, думая, что буквы стираются из-за снятия слоя бумаги, на самом же деле вытягиваются кусочки графита. Хотя один из составляющих ластика – керамический порошок – и в самом деле царапает бумагу, не повреждая ее при этом, и выскабливает из бумажных волокон частицы грифеля. Графит – это самородный элемент, состоящий из углерода. Раньше ошибочно считалось, что он содержит свинец.

1

54

z Как исчезают графитные буквы Бугорки бумаги

Частицы графита Поверхность бумаги

Ластик

Стертые частицы Ластик

Поверхность бумаги

Глава

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Но это только для того, чтобы помочь пластификатору как следует захватить частицы графита. Важным моментом является также то, с какой силой поливинилхлорид держит пластификатор. Только когда эта сила подходящая, при трении будет выделяться пластификатор, и текст будет стираться.

Ластик изобрели в Англии в XVIII веке. Пластиковый же ластик изобрели в Японии в 1952 году, с тех пор он широко распространился.

55

Может приклеиться к чему угодно! Почему клей приклеивается? Возможности моментального клея поразительны. Теоретически, если склеить два куска железа так, что размер склеиваемой поверхности будет всего лишь с  почтовую марку, то даже если на этой железной конструкции повиснет борец сумо, она не расклеится. Способность клея приклеиваться обеспечивается межмолекулярной силой1. Какими бы гладкими и ровными не выглядели материалы вроде бумаги или пластика, все равно на их поверхностях непременно существуют бугры и  впадины размерами около одной миллионной миллиметра. Клей заполняет эти неровности, затвердевает и крепко склеивает предметы. Это происходит благодаря работе межмолекулярных сил между молекулами клея и молекулами склеиваемых предметов, и называется эффект якоря. В настоящее время в быту в качестве клея чаще всего используются эфиры цианакриловой кислоты (цианоакрилаты). Это вещество обладает свойством при воздействии влаги мгновенно образовывать молекулярные соединения посредством водородных связей, создавать макромолекулы и  затвердевать. Обычный клей высыхает на воздухе и  поэтому склеивает, моментальный же клей, наоборот, затвердевает под воздействием влаги. На первый взгляд кажется, что, например, бумага или пластик не содержат воды. Однако в  большинстве случаев это не так, кроме того, в воздухе тоже содержится влажность. Эфиры цианакриловой кислоты вступают в химическую реакцию с этим небольшим количеством влаги. Если рассуждать подобным образом, становится понятно, почему моментальный клей не затвердевает в тюбике. Отверстие тюбика делают чрезвычайно маленьким, чтобы внутрь не попала влага и  клей не затвердел. А то, что иногда отверстие тюбика забивается, связано с тем, Атомы, связываясь ионными или ковалентными связями (100), образуют молекулы. Молекулы же связываются посредством межмолекулярного взаимодействия, в  котором действуют водородные связи (10) или силы Ван-дер-Ваальса (1). В скобках () указывается соотношение сил.

1

56

что каким бы крошечным не было это отверстие, какая-то влага туда проникает и взаимодействует с клеем.

Эффект якоря

Материал

Подобно тому, как корабельный якорь погружается в дно моря, клей проникает в поры материалов и затвердевает

Клей

Материал

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Кстати говоря, если моментального клея выдавить слишком много, то он не сможет затвердеть. Потому что, когда количество слишком велико, для химической реакции нужно время.

Глава

Если клей пристал, например, к пальцу, его можно убрать жидкостью для снятия лака, или же, подставив палец под струю теплой воды, потихоньку его оттереть.

57

Удаляются даже жирные и масляные пятна! Как моющие средства удаляют загрязнения? Каким образом стиральный порошок удаляет загрязнения с  одежды? Его секрет, а также секрет шампуней, мыла и прочих моющих средств, кроется в поверхностно-активных веществах (ПАВ) и проникающей силе. Поверхность в данном случае – это граница соприкосновения газов, жидкостей и  твердых тел. Можно назвать ее также пограничной поверхностью. Например, в  случае стирки мы можем говорить о  границе соприкосновения одежды и жирного пятна, а также о границе соприкосновения воды и загрязнений. А ПАВ – это вещества, которые активизируются, изменяя состояние поверхностей. Молекулы ПАВ представляют собой длинные и тонкие соединения из частей с высокой липофильностью, так называемые липофильные группы, и  частей с  высокой гидрофильностью, так называемые гидрофильные группы. Липофильные группы хорошо контактируют с жирами и загрязнениями и находятся в противодействии с  водой. И  наоборот, гидрофильные группы хорошо контактируют с  водой и находятся в противодействии с жирами и грязью. И сила моющих средств находится именно в этом соединении двух противоположных качеств. Когда мы начинаем стирку, добавив в воду моющее средство и положив туда грязную одежду, липофильные группы проникают на поверхность между одеждой и загрязнениями, активизируются и отрывают загрязнения от ткани. А затем моющее средство скручивает их в шарики. Потом гидрофильные группы выходят наружу и  притягивают большое количество воды. В воде же постоянно происходит молекулярное движение, поэтому шарообразные частицы моющего средства, которые захватили частицы грязи, взбалтываются и выталкиваются. По этой причине вода во время стирки выглядит беловатой.

58

Однако если добавить в  воду моющее средство, то оно снизит поверхностное натяжение воды. Другими словами, станет слабее сила, которая придает округлую форму каплям воды. Капли воды расширятся, и  им станет проще проникнуть в самые маленькие участки ткани. Таким образом могут быть удалены даже загрязнения, застрявшие между волокнами ткани. Так проявляется чистящий эффект1 моющих средств. z Схематичное изображение моющего средства и процесса удаления загрязнений

Группа липофильных Группа атомов гидрофильных атомов (липофильная (гидрофильная группа) группа)

3. Липофильная группа удаляет загрязнение

1. В области загрязнения собирается липофильная группа

4. Гидрофильная группа выходит наружу

2. Липофильная группа захватывает часть загрязнения

5. Загрязнения распадаются на части и смываются водой

Глава

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Что же касается проникающей силы, то обычная вода хотя и просачивается в ткань, не может проникнуть во все уголки. Поэтому только водой нельзя отстирать как следует грязную одежду.

Поверхностно-активные вещества используются не только в моющих средствах, но и в косметике, зубном порошке, продуктах питания, лекарственных препаратах, тканях, бетоне и во многом другом.

1

Волосы и кожа покрыты пленкой кожного сала, которое защищает их от пересыхания. Моющие средства разрушают эту пленку, поэтому с ними надо быть осторожнее.

59

Как Япония распространила джинсы по всему миру? В настоящее время джинсы популярны во всем мире. Первоначально же это были просто рабочие штаны для грузчиков. По одной из версий название «джинсы» происходит от названия итальянского портового города Генуя, где ткали толстую хлопчатобумажную ткань для рабочей одежды, которую французские торговцы называли «джене» (Genes – ткань из Генуи). По другой версии название происходит от выражения «генуэзская синева» (Bleu de Genes), указывающего на особенность полотна, используемого в Генуэзской республике. В 1848 году в Америке началась золотая лихорадка. Тогда и начал торговать рабочей одеждой, сшитой из ткани для тентов и окрашенной в цвет индиго1, иммигрант из Германии Ливай Страусс, чье имя до сих пор используется в названии фирмы, производящей джинсы. Эта одежда хорошо продавалась, и стало не хватать исходного материала. Тогда Страусс начал импортировать толстую хлопчатобумажную ткань из французского города Нима, в  то время центра текстильной промышленности. Эта ткань и  стала основным материалом для джинсов, а называли ее деним. Эта одежда стала весьма популярной, но в Западном мире она еще долго ассоциировалась только с рабочей одеждой. И в том, что джинсы затем стали модной одеждой, большую роль сыграла Япония. В 1978 году в Японии был изобретен способ стирки джинсов в профессиональных стиральных машинах с  добавлением пемзы, который называется стирка с камнями. А в 1986 году был представлен способ частичного обесцвечивания джинсов посредством химической реакции с  веществами, содержащими хлор. Он называется химической стиркой. Благодаря этому джинсы стали элементом модной одежды для молодых людей во всем мире.

60

Краситель индиго получают из растения индигофера путем гидролиза и окисления его компонентов.

1

z Как окрашивают кубовыми красителями? Кубовые красители (индиго, индантрон и т. д.)

Карбоксильная группа таких красителей не растворяется в воде, поэтому во время окрашивания ее делают растворимой с помощью восстановителя и гидроксида натрия. Затем наносят на ткань, где при окислении восстанавливается изначальный цвет красителя, и происходит окрашивание

* Среди красителей есть и другие, водорастворимые, которые непосредственно наносятся на ткань

Индиго прокрашивает только поверхность ткани, поэтому с каждой стиркой краска понемногу стирается.

Глава

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Случился также переломный момент в  истории индиго, используемого для окраски денима. Когда был изобретен искусственно созданный краситель индантрон, он стал основным красителем для хлопчатобумажных тканей и  почти вытеснил природный краситель индиго. В 1950-е го ды природный индиго почти исчез, однако в настоящее время спрос на него в мире составляет около 17 000 т в год.

61

Утюг не нужен! Почему рубашки с памятью формы не мнутся? В нитях хлопчатобумажной ткани есть места, заполненные вытянутыми молекулами целлюлозы, а  есть относительно пустоватые участки. Складки легко образуются именно в этих пустоватых участках. Сразу после стирки молекулы воды проникают в ткань и  распутывают молекулы целлюлозы, поэтому мокрая ткань кажется немятой. Однако по мере высыхания появляются складки. Если бы молекулы целлюлозы в  этих пустоватых местах были связаны химическими связями, такую ткань было бы трудно помять. Для этого используют низкомолекулярный формальдегид1. Когда ткань контактирует с  парами формальдегида, между молекулами целлюлозы выстраивается мост, и ткань становится более устойчивой. Даже если на такой ткани появится складка, после стирки она распрямится. И даже при повторных стирках форма не разрушится. z Структура рубашки с памятью формы Представленный здесь способ называется наведение мостов.

Обычное хлопковое волокно

Волокно с памятью формы

Молекулы волокна Cлабая связь

Сильная связь

Молекулы воды распутывают молекулы целлюлозы

Молекулы целлюлозы соединены химическими связями и плохо подвержены изменениям

При высыхании пустоватые места молекул целлюлозы ломаются, и образуются складки

62

Формальдегид – самый простой из альдегидов. Углерод в  его составе связан с  одним атомом кислорода и двумя атомами водорода.

1

Почему пятна от губной помады так трудновыводимы? И как же их можно удалить? Красящие свойства губной помады обеспечиваются молекулами красящего вещества1. Если к красящему веществу добавить вещест ва, способствующие переносу молекул красящего вещества на губы, то получается устойчивый цвет. Эту роль выполняют особые макромолекулы. В составе губной помады, кроме красящего вещества и  макромолекул, находятся также эфирные масла, увлажняющие вещества и консерванты. При нанесении помады на губы прежде всего начинают улетучиваться эфирные масла. В  это время макромолекулы соединяются, создавая сеть, и захватывают молекулы красящего вещества. Затем увлажняющие вещества просачиваются сквозь ячейки сетки и покрывают окрашиваемую поверхность, что делает цвет еще более устойчивым. Увлажняющие вещества

Если на одежде оказалось пятно от губной помады, вывести его можно, смешав кухонное моющее средство с косметическим очищающим маслом.

1

Красящие вещества Особые макромолекулы

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Нет хуже для рубашки, чем это! Почему след от помады так трудно вывести?

Глава

Увлажняющие вещества покрывают поверхность, чем делают нанесенный цвет более устойчивым

К красящим веществам относятся очень разные вещества, например хлорофилл в растениях (зеленый), гемоглобин в крови (красный) и т. д.

63

Постоянный источник переживаний деловых женщин! Почему на чулках появляются стрелки? Чулки вяжутся из тонких нитей, которые переплетаются между собой. Если зацепить нитку, например, ногтем так, что она порвется, то с этого места нить начнет быстро расплетаться. Это называется стрелка. В  прочных же чулках нити так хорошо переплетены между собой, что даже если какая-то из них порвется и образуется дырочка, то эта дырочка не будет распространяться дальше. Раньше чулки делали из шелка. Приобретая дорогие шелковые чулки, женщины относились к  ним очень бережно, чинили их. Кроме шелка, для изготовления чулок использовались и  другие натуральные нити: хлопковые, шерстяные, конопляные. Они стоили дешево, но смотрелись хуже шелковых. Если говорить о форме, то сначала они были со швом сзади, а потом их стали делать бесшовными. Это что касается чулок. Затем появились на свет бесшовные колготки. Это стало революционным изобретением, объединяющим в  себе две базовые функции одежды  – используемую в  качестве нижнего белья скрытую от глаз верхнюю часть и  украшающую ноги нижнюю часть. Ведущую роль в эволюции колготок занял нейлон. Нейлон  – это высокомолекулярное соединение. В  таком соединении больше 10  000 молекул. Такие большие молекулы называются макромолекулами, а  вещества, состоящие из макромолекул, называются полимерами. Среди полимеров есть натуральные, сущест вующие в природе, – это, например, хлопок, овечья шерсть, шкуры животных, древесина,

64

бумага и т. д. А есть и созданные искусственно синтетические полимеры, такие как нейлон, поливинилхлорид и т. д.

z Если посмотреть на плетение чулок... Чулки, на которых легко может появиться стрелка

Если где-то произойдет разрыв, то он быстро распространится дальше

Более прочные чулки

Соединения между нитями как следует закреплены, и если где-то произойдет разрыв, ему будет трудно распространиться дальше

В последние годы спрос на синтетические полимеры вырос примерно до 57 млн т, в то время как спрос на натуральные полимеры снизился примерно до 25 млн т.

1

Природные полимеры обнаружил немецкий химик Штаудингер. Карозерс, заинтересовавшись этим замечательным открытием, добился успеха в изобретении нейлона.

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Первым в  мире успешно получил синтетическое волокно сотрудник американской фирмы DuPont Карозерс1. Это было в  1935 году. А  уже в 1938 году фирма DuPont представила нейлон. С помощью нейлона колготки стали более прочными и красивыми.

Глава

65

Даже самые твердые продукты! Как режет кухонный нож? Сейчас практически все кухонные ножи, продающиеся, например, в супермаркетах, сделаны или из нержавеющей стали, или из керамики. Однако материалом для традиционных японских ножей вроде ножа для овощей или ножа для мяса является железо. На самом деле это сплав. Использование чистого железа, то есть химического элемента Fe, чрезвычайно затруднительно. В любом случае, полученные из него ножи будут слишком мягкими, чтобы их можно было использовать по назначению. Поэтому, говоря о  железе, в  общем случае подразумевают его сплав с другими элементами. Среди этих элементов очень важным является углерод. В зависимости от содержания углерода железо делят на чистое железо, сталь (содержание углерода 0,03–1,7 %) и предельный чугун (содержание углерода более 1,7 %)1. Чем больше углерода в составе, тем более твердым, но и тем более хрупким становится железо. И  наоборот, чем меньше углерода, тем мягче и пластичнее железо. Для лезвия японских ножей требуются оба этих качества. Поэтому складывают вместе твердую сталь и мягкое пластичное железо, нагревают их и последовательными ударами осуществляют протяжку. В процессе ковки железа используют так называемые закалку и отпуск, в результате чего свойства стали укрепляются. В зависимости от разницы температур расположение атомов железа принимает различные формы (кристаллизация). При нагревании содержащей большое количество углерода стали частицы углерода аккуратно располагаются между частицами железа. Если затем постепенно остудить такую сталь, структура ее вернется в исходное положение. Однако если температуру поднять, а затем резко снизить с помощью воды или масла, то структура не сможет вернуться в ис В русскоязычных источниках не найдены подтверждения именно этим цифрам...

1

66

Более того, если такую закаленную сталь нагреть до 400–600 °C, то структура железа и углерода опять изменится. И если затем сталь медленно охладить, она станет мягкой и пластичной. Этот процесс называется отпуском.

Отпуск Если уже закаленную сталь нагреть до температуры 400–600 °С и дать ей остыть естественным образом...

...то она обретет пластичность и сломать ее будет трудно. Такой процесс называется отпуск

Закалка

Отжиг

Если сталь после отжига снова нагреть до температуры свыше 750 °C

...а затем резко остудить...

Если нагреть лезвие от ножовки до температуры свыше 750 °С, а потом дать ему остыть естественным образом...

...то при попытке сжатия...

...то при попытке сжатия она сломается. Этот процесс называется закалка

...оно останется в согнутом положении. Такой процесс называется отжиг

Глава

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

ходное положение и зафиксируется в том состоянии, в котором она была при нагревании. Захватив углерод, сталь станет твердой. Этот процесс и называется закалкой.

Когда клинок заточен с двух сторон, он называется обоюдоострым. Заточенный только с одной стороны клинок называется однолезвийным.

67

Выдерживает удар любой рыбы! Почему аквариумы в океанариумах не разбиваются? Из чего и  как делаются огромные резервуары с  водой, используемые в океанариумах? Например, в океанариуме Тюрауми на Окинаве используется самая большая в мире прозрачная цельная аквариумная панель высотой 8,2 м, шириной 22,5 м и толщиной 60 см. И хотя многие думают, что она сделана из стекла, это не так. На самом деле такая панель сделана из акрила – одного из видов пластика, получаемого из нефти. Стекло бы не выдержало давления 7500 т воды и не было бы таким прозрачным. Удельный вес акриловой смолы вдвое меньше, чем у стекла, а прочность в 15 раз больше. Кроме того, она хорошо обрабатывается. Помимо панелей аквариумов, акрил используется также в ветровых стеклах самолетов, в витринах магазинов, в строительстве, в мебели, в электробытовых приборах, в красках1, в контактных линзах и даже в зубных протезах. Но это не значит, что изготовить из акриловой смолы толстую панель легко и просто. Панели для океанариумов изготавливаются посредством наложения друг на друга акриловых панелей толщиной не больше 4 см. Но не думайте, что их просто соединяют между собой с помощью клея. Если между слоями акрила поместить клей, у которого другой коэффициент преломления, то свет будет отражаться. И таким образом при наложении десятка панелей потеряется их прозрачность, то есть сквозь них ничего не будет видно. Поэтому для соединения между собой двух акриловых панелей преж де всего между ними наливают жидкий акрил. Затем нагревают точно до температуры в 82 °C, при которой акрил начинает трансформироваться, и таким образом запускают химическую реакцию, называемую полимеризация. Низкомолекулярные вещества, так называемые мономеры, посредством повторяющихся присоединений формируют высокомоле В акриловых красках в качестве связующего вещества используются акриловые смолы. Акриловые краски практически растворимы в воде, быстро высыхают, а после высыхания становятся водостойкими.

1

68

кулярные соединения, которые называются полимерами. Реакция образования полимеров из мономеров и называется полимеризацией.

z Виды полимеров ВысокоОрганическое высокомолекулярное молекулярное соединение соединение Природные Крахмал, целлюлоза, белки, натуральный каучук, натуральные смолы, например янтарь (полусинтетическое вещество – нитроцеллюлоза) Синтетические Синтетические волокна: нейлон, полиэстер, акриловое волокно Синтетические смолы: акриловая смола, полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и др. Синтетические резины: полибутадиен, полиизопрен, полихлоропрен

Неорганическое высокомолекулярное соединение Диоксид кремния (кристаллы, кварц), асбест, слюда, полевой шпат, фторосодержащее стекло (аморфное твердое вещество) Цеолит, силиконовая смола

Если сделать толстое стекло, то оно обретет зеленоватый цвет, акрил же останется прозрачным. Кроме того, особенностью акрила является то, что он поддается обработке при относительно невысоких температурах.

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Если полимеризация проведена правильно, то две акриловые панели соединятся в одну на молекулярном уровне. Подобным образом, соединив несколько акриловых панелей, и получили панель аквариума толщиной в 60 см.

Глава

69

Пейзаж из окна так хорошо виден! Почему листовое стекло прозрачное? Почему листовое стекло, используемое, например, в окнах, прозрачное? Тут кроется загадка. Начнем с того, что все вещества состоят из атомов. Когда вещество находится не в твердом, а в жидком состоянии, эти атомы располагаются беспорядочно. При охлаждении и  затвердевании вещества атомы выстраиваются в определенном порядке, образуя кристаллы. Однако не все вещества таковы. Существуют такие вещества, в  которых и  при охлаждении, и  при затвердевании атомы располагаются беспорядочно. К таким веществам относятся, например, оксиды кремния, бора и соли. Такие вещества, затвердевающие без образования кристаллов, и являются стеклом. Существуют вещества, не пропускающие свет, например железо. Свет захватывается такими веществами при попадании на них. Для поддержания красивых упорядоченных структур атомов в составе таких веществ требуются мощные силовые поля, сквозь которые свет не может пройти. С точки зрения квантовой химии это можно объяснить так: электроны, переходя на более низкий энергетический уровень, захватывают свет, возбуждаются и  не дают свету пройти дальше. Возбуждение – это переход атомов и  молекул при воздействии энергии извне в  состояние с большей энергией (возбужденное состояние), чем было до того. Стекло же, не имея кристаллической структуры, пропускает свет, не задерживая его. Поэтому поступающий извне свет просто проходит насквозь. А поверхность выглядит прозрачной. Кстати говоря, есть легенда, что стекло открыли еще 5000 лет тому назад в Месопотамии, когда люди разводили костры на песке около озера1. Но

70

Стекло якобы случайно получилось после тушения костра водой из озера, когда кварцевый песок и содержащийся в озерной воде карбонат натрия расплавились под воздействием огня.

1

Однако подобное современному совершенно плоское листовое стекло научились делать сравнительно недавно, в середине ХХ века. z Изготовление листового стекла Плавильная печь

Очистительный бак Зона медленного охлаждения Обрезка

Нефтяная горелка Зона формовки листового стекла (вытягивание)

Очистка

Отправка на тестирование

Глава

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

активно использовать стекло стали около 2000 лет назад, когда открыли технологию выдувания стекла, благодаря чему производство его очень упростилось.

Листовое стекло получают посредством выливания расплавленной стекломассы на толстый слой расплавленного легкоплавкого металла, например олова.

71

Пахнет даже кондиционер для белья! Почему ароматизаторы пахнут? Ароматизаторы часто находятся в составе вместе с дезодорантами. Однако при этом почему-то аромат ароматизатора не уничтожается дезодорантом. Удивительно, не правда ли? Рассмотрим, как это работает со стороны дезодоранта. Мы не берем в расчет ложные дезодоранты, которые просто распыляют в воздух большое количество ароматизаторов, а  рассмотрим дезодоранты, которые уменьшают концентрацию в  воздухе плохо пахнущих молекул. Такие дезодоранты делятся на два типа по способу устранения запахов. Первый способ заключается в использовании веществ с большим количеством пор вроде активированного угля или минерала под названием цеолит, которые захватывают молекулы с  неприятными запахами. Такой тип адсорбции используется, например, в холодильниках. Почему же в таком случае не адсорбируются и распространяющие аромат молекулы ароматизатора? Здесь все дело в  разных свойствах молекул. Молекулы с плохим запахом часто содержат атомы азота и серы, а подобные атомы легко прилепляются к веществам вроде активированного угля. С другой стороны, среди молекул с  приятными запахами много похожих на компоненты нефти молекул, относящихся к углеводородам, например содержащийся в лимонной кожуре лимонен или содержащийся в лесных деревьях терпен. Такие молекулы плохо поглощаются активированным углем и прочими подобными адсор бентами. Второй способ уничтожения плохих запахов заключается в химических реакциях, в результате которых молекулы с плохим запахом не возвращаются в воздух. Таких реакций существует много, например нейтрали-

72

зация кислот и щелочей, реакция ионов металлов с соединениями серы, окислительно-восстановительная реакция и т. п.

Молекулы же веществ, подобных лимонену и терпену, практически не вступают в такие реакции. Поэтому-то уничтожаются только плохие запахи, а приятные ароматы продолжают витать в воздухе. z Как действует дезодорант 1. Захватывание плохого запаха Плохой запах

Дезодорант

2. Химическая реакция с плохим запахом и его изменение Дезодорант Плохой запах

Химическая реакция

3 Химия окружающего мира. Ответы на разные «почему», касающиеся окружающих нас предметов

Например, в плохих запахах в туалете содержится много веществ с атомами серы вроде сероводородов и меркаптанов. Когда такие молекулы реагируют с  ионами меди, железа или цинка, они становятся стабильными сульфидами. Кроме того, контактируя с содержащими хлор веществами, они окисляются и превращаются в вещества без запаха. Дезодоранты сделаны как раз так, чтобы вызвать подобную реакцию.

Глава

Среди плохих запахов есть, например, запах гниения, предупреждающий нас об опасности1. А среди приятных ароматов существуют ароматы, способные повышать настроение.

1

В стремлении скрыться от динозавров предки млекопитающих стали вести ночной образ жизни и при этом развили обоняние взамен зрения.

73

Если хорошенько охладить, то гораздо вкуснее! Откуда  на чашке появляются капли воды? Если в  чашку с  водой положить лед и  оставить на некоторое время, то на чашке появятся капли воды. Это водяной пар (в газообразном состоянии), хаотично кружащийся вокруг чашки, конденсируется1 в жидкую воду из-за охлаждения от соприкосновения со стенками чашки. Хотя стеклянная чашка кажется гладкой, на ее поверхности есть крошечные шероховатости. Эти шероховатости как раз очень подходят для превращения водяного пара в жидкость. Если за чашкой со льдом наблюдать внимательно, то можно увидеть тот момент, когда на ней образуются капли воды. Сначала вокруг чашки возникнет явление колебания воздуха. Это происходит из-за того, что со снижением температуры воздуха меняется показатель преломления. Теперь нужно сесть в  направлении падающего света и  понаблюдать за этим колебанием воздуха. Тогда-то вы и должны будете увидеть момент превращения водяного пара в капли воды.

Кстати говоря, когда после принятия горячего душа в ванной комнате запотевает холодное зеркало, это происходит по тем же причинам.

Холодный напиток снижает температуру чашки, а холодная чашка снижает температуру воздуха вокруг себя. Находящийся в воздухе водяной пар превращается в капли воды на поверхности чашки

Облака появляются вследствие той же конденсации. Образование облаков начинается с конденсации из водяного пара в атмосфере капель воды вокруг плавающих в воздухе мельчайших частиц пыли, ионов и т. п.

1

74

Воздух

IV

Химия в технологиях

Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий!

Эпоха, когда даже дома можно наслаждаться 3D! Почему картинка в 3D так реалистична? То, что человеческие глаза могут видеть изображение объемно, обу словлено явлением параллакса между правым и  левым глазами. Если вы будете смотреть на находящийся впереди и  по центру свой указательный палец по очереди то одним правым, то одним левым глазом, то положение пальца будет меняться. Из отклонения положения объекта при взгляде на него разными глазами человеческий мозг считывает глубину и объемность изображения, это называется бинокулярным параллаксом. В фильмах 3D как раз используется бинокулярный параллакс, чтобы на самом деле плоское изображение на экране выглядело объемным. Для чего необходимы 3D-очки. В 3D-очках для правого и левого глаз показываются разные фильмы, которые для каждого глаза передают изображение с параллаксом, поэтому оно и выглядит объемным. В настоящее время чаще всего используются следую щие три метода просмотра таких фильмов: метод цветных фильт ров, поляризационный метод и  метод затвора. Метод цветных фильтров представляет собой деление диапазона длин волн видимого света на шесть участков, по два на красный (R), зеленый (G) и синий (B), и отображение на правый и левый глаз соответствующих изображений. Разделение изображений происходит благодаря цветным фильтрам, установленным в очках. Чтобы получить общее представление, можно вспомнить известные с давних пор очки с красной и голубой линзами, которые являются первыми представителями данного метода. Поляризационный метод представляет собой использование фильтров, пропускающих только волны с определенным направлением коле-

76

Метод затвора представляет собой снабжение 3D-очков жидкокристаллическими затворами. Показ фильма на экране с  поочередной сменой изображений на правое и левое и демонстрация правому глазу изображения, предназначенного только правому глазу, а левому глазу – предназначенного только левому глазу.

Ощущение глубины

Правый глаз влево

Левый глаз вправо

Правый глаз вправо

Левый глаз влево

Иллюзия объемного изображения в мозге

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

баний световых волн. Фильтр, пропускающий лишь свет, поступающий под определенным углом, называется линейной поляризацией1. Второй основной подвид поляризационных фильтров – фильтры с  круговой поляризацией, они пропускают только свет, движущийся по спирали, с определенным направлением вращения.

Ощущение реалистичности

Наверное, среди вас немало тех, кто во время научных лабораторных работ делал опыты с самодельными очками из голубого и красного целлофана. Это старый способ, называемый анаглиф.

В поляризационных очках, используемых, например, рыбаками, применяется линейная поляризация, пропускающая только свет определенного направления. Благодаря диффузному отражению света от поверхности воды можно видеть, например, что происходит под водой до самого дна.

1

77

На пленке, в цифровом виде, и не только! Как получаются фотографии? В случае пленочных фотокамер используются фотохимические реакции, при которых вещества изменяются, поглощая свет. Фотопленка представляет собой нанесенную на пластиковую основу эмульсию, состоящую из растворенных в желатине частиц бромида серебра. Под воздействием света от линзы пленка экспонируется и с помощью восстановителя становится черной. Если не остановить реакцию восстановителя, изображение так и  станет полностью черным. Поэтому в  подходящий момент пленку помещают в ванну с кислотой, чем останавливают реакцию. Остатки бромида серебра удаляют с помощью химической реакции с  водным раствором тиосульфата натрия, и  изображение проявляется. Проявленную пленку печатают на фотобумаге посредством химической реакции. В случае цифровых фотокамер свет воспринимается не пленкой, а датчиком изображения, называемым ПЗС1, на нем и формируется изображение. Полупроводниковый прибор ПЗС состоит из небольших блоков, называемых элементами, которые сгруппированы по трем цветам: красному, синему и зеленому. Когда свет попадает на элемент, он в соответствии с его цветом и яркостью преобразуется в электрический заряд и аккумулируется. Накопленный заряд разом передается по цепочке в  вертикальный регистр ПЗС. Если последовательно передавать заряд в  горизонтальный регистр, то он будет преобразовываться в  напряжение и усиливаться. В КМОП2 накопленный заряд каждого пикселя преобразуется в  напряжение и  усиливается. Он передается по цепочке на вертикальный передатчик сигнала построчно посредством переключателя On/Off выбора пикселей, где временно хранится, устраняя рассеянный между пикселями шум. Сохраненное напряжение посредством переключателя On/Off выбора столбцов отправляется на горизонтальный передатчик сигнала. Аббревиатура «прибор с зарядовой связью». Изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла. 2 Японские производители электроники изменили стоящую перед ними задачу с  «превзойти пленку» на «превзойти человеческий глаз». И так они разработали камеры с КМОП. 1

78

z Устройство CCD CCD

Cвет Cвет Пленка из оксида кремния Электрод Датчик света

Передатчик Передатчик

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

543 млн лет назад живые организмы впервые обрели глаза, что вызвало кембрийский взрыв. С тех пор развитие дошло до человеческого глаза, а затем и до чрезвычайно хорошо развитого «глаза» камеры.

Датчики изображений КМОП потребляют мало энергии и поэтому обходятся недорого. Как только были преодолены технические трудности, они стали широко использоваться, например в камерах мобильных телефонов.

79

В чем разница между плазмой и жидкими кристаллами? Как работает телевизор? Вместо популярных ранее телевизоров с  электронно-лучевой трубкой в  настоящее время широко распространились жидкокристаллические и плазменные телевизоры. Механизм передачи изображения у этих двух типов телевизоров отличается. Жидкокристаллические телевизоры состоят из цветного фильтра, жидкокристаллической1 панели и подсветки. Жидкокристаллическая панель является основной частью дисплея и представляет собой заключенные между двух листов стекла жидкие кристаллы. Снаружи от стеклянной подложки прикреплены поляризационные фильтры, так чтобы направление регулируемого света совпало с ориентацией молекул жидких кристаллов. Механизм работы таков: меняя электрическое напряжение, изменять направление кристаллов. Подобно регулированию жалюзи на окнах, то пропуская, то прерывая свет подсветки, контролируется изменение направления пропускаемого света, благодаря чему и воспроизводится видео. Более того, так как сами кристаллы не излучают свет, то в  качестве источника света используется подсветка, а  цвета отображаются через цветные фильтры. Плазменные телевизоры устроены гораздо проще, чем жидкокристаллические. Если говорить в  двух словах, то принцип их работы основан на флуоресцентном свете. Легко понять этот принцип, если представить себе группу маленьких флуоресцентных источников света, излучающих свет трех основных цветов RGB (красного, зеленого и  голубого). Источники света очень маленькие и окрашены каждый по отдельности, подобно точкам. Они формируют стеклянную поверхность с присоединенными к ней электродами. Другими словами, чем больше количество источников света, тем больше дисплей.

80

Жидкие кристаллы – это вещества, обладающие одновременно свойствами жидкостей и твердых тел. Также они обладают свойством менять ориентацию молекул в зависимости от электрического напряжения.

1

В отличие от жидкокристаллических телевизоров, использующих в качестве источника света подсветку, в плазменных телевизорах свет излучается источниками света в результате электрического разряда, благодаря чему получается четкое и яркое изображение высокого качества. Более того, плазменные экраны обычно большие и  с  широким углом обзора, благодаря чему изображение не искажается даже при просмотре сбоку.

Поляризационные фильтры

Жидкокристаллическая панель

Плазменная панель Устройство плазменного телевизора

Устройство жидкокристаллического телевизора

Подсветка

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

Между окрашенным источниками света специально оставляют промежутки, которые заполняют ксеноном или неоном. Под воздействием электрического напряжения в плазме возникает элект рический разряд, вследствие чего образуется ультрафиолетовое излучение. В  результате активизируются источники света, которые формируют изображение.

Источники света

Электронно-лучевые трубки используют явление флуоресценции. Они начинают светиться под воздействием энергии электронов, которые активизируются из-за электрического напряжения.

81

И телевизор, и DVD-плеер одним пультом! Как работает пульт дистанционного управления? Мы живем в эпоху, когда дистанционно можно управлять телевизором, кондиционером, освещением в комнате и многим другим. Для чего необходим пульт дистанционного управления, сокращенно просто пульт. При нажатии кнопки на пульте во встроенный в целевом устройстве (например, в телевизоре) приемник поступает код команды. Это происходит благодаря невидимому глазу инфракрасному излучению. Когда заходит речь об инфракрасном излучении, многие думают, что это такой красный свет, который, например, бывает в  некоторых электрических обогревателях. Но в таких обогревателях используется дальнее инфракрасное излучение, в то время как в пультах используется ближнее инфракрасное излучение с коротковолновыми электромагнитными волнами. Чтобы пульт дистанционного управления мог излучать инфракрасные лучи, он укомплектован светодиодами и передающими код интегральными микросхемами. Кодирование пульта осуществляется путем назначения каждой кнопке пульта своего кода. Принимающее сигнал устройство заранее знает, какая функция соответствует какому коду, так как база данных кодов хранится в его памяти. При нажатии кнопки на пульте посредством инфракрасного излучения отправляется код, затем в целевом устройстве элемент, называемый фотодиод1, принимает сигнал, распознает код и совершает требуемые действия, например включает или выключает устройство, переключает каналы, увеличивает или снижает температуру и т. д. К одному бытовому электроприбору идет один пульт дистанционного управления. Причиной того, что один пульт не может управлять разны-

82

Фотодиод является противоположностью светодиода, он принимает инфракрасное излучение и  генерирует электричество. Диод – это элемент, имеющий два электрода, в  настоящее время используется в полупроводниках.

1

ми электроприборами, является различие в кодах инфракрасного излучения для каждого устройства.

z Устройство дистанционного управления Пятый канал

Звук

Приемник телевещания

Картинка Электроннолучевая трубка

Код дистанционного управления

Печатная плата Фотодиод (преобразовывает инфракрасное излучение в электричество) Телевизионный приемник

Есть!

Тюнер

Выберите, пожалуйста, пятый канал Регулирующий Понял!

микрокомпьютер

Регистр Прием

Память

Cравнение

Динамик

Питание

К переключателю каналов

К выключателю питания On/Off

Микрокомпьютер для расшифровки сигналов дистанционного управления

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

Кодовый номер каждого производителя определяется Ассоциацией производителей бытовой техники. Более того, для защиты от дублирования кодов все производители контролируют друг друга. Поэтому даже если одновременно нажать кнопки на нескольких разных пультах, сбоев и ошибок в командах не произойдет.

Глава

Пульты дистанционного управления используют короткие волны ближнего инфракрасного излучения для передачи приказов посредством свето- и фотодиодов.

83

Комфорт весь год! Почему кондиционеры могут и охлаждать, и нагревать воздух? И для охлаждения, и для обогрева в кондиционерах используется следующее свойство: когда жидкость испаряется, она забирает большое количество тепловой энергии из окружающей среды и охлаждает ее. Когда жидкость получает извне тепловую энергию, слабо соединенные между собой молекулы начинают интенсивно двигаться, отсоединяться и свободно летать, превращаясь в газ. Необходимое для этого количество тепловой энергии называют теплотой парообразования. Например, когда перед уколом кожу протирают дезинфицирующим раствором, протертое место охлаждается. Это происходит потому, что алкоголь испаряется, забирая тепло с участка кожи, на который был нанесен раствор. Такие жидкости, которые эффективно циркулируют температуру, называют хладагентами, чаще всего в этом качестве используют фреоны. Забранная ими температура не исчезает, а перемещается. Перемещает эту температуру газообразный хладагент. Кондиционеры являются устройствами для перемещения тепла газообразными хладагентами. Газы обладают свойством превращаться в  жидкость при сжатии и  охлаждении. Поэтому прежде всего в  компрессоре газообразный хладагент подвергается воздействию высокой температуры и высокого давления. Затем он охлаждается, выделяя тепловую энергию, и превращается в  жидкость. Эта жидкость, вновь подвергнувшись воздействию низких температур и  низкого давления, чтобы испариться, будет поглощать большое количество тепла. Хладагент в кондиционере постоянно меняет свое состояние из газообразного в  жидкое и  наоборот. Образуемый при этом холодный или теплый воздух попадает в помещение с помощью установленного в кондиционере вентилятора.

84

С недавних пор благодаря инверторам1 стало возможным регулировать скорость вращения двигателя компрессора. Кондиционеры стали более эффективными, и  появилась возможность регулировать температуру. Так появились кондиционеры, которые можно использовать на протяжении всего года. z Цикл кондиционирования Испарение

Компрессия

Газ Тепло Тепло

Тепло Тепло

Тепло

Жидкость

Тепло

Жидкость

Тепло

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

Меняя циркуляцию потока газообразного хладагента, можно переключать режимы кондиционера с охлаждения на обогрев и наоборот. В случае охлаждения тепло забирается из воздуха помещения и через наружный блок выводится наружу. В  случае обогрева, на оборот, забирается наружное тепло и переносится в помещение.

Конденсация

Принцип работы кондиционера такой же, как у холодильника. Для обогрева же поток хладагента направляется в обратную сторону.

1

Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, контролирует электрическую частоту.

85

Так необходим нам, особенно летом! Почему холодильник холодит? В холодильнике, подобно кондиционеру, все время из жидкого состояния в газообразное циркулирует хладагент, благодаря чему происходит постоянное охлаждение. Прежде всего запускается компрессор холодильника, чтобы сжать газообразный хладагент. В этот момент температура газообразного хладагента равна приблизительно 80 °С. На задней стенке холодильника установлено устройство под названием конденсатор, проходя через которое, газообразный хладагент охлаждается воздухом до 40 °С, после чего конденсируется и превращается в жидкость. Ставший жидким хладагент поступает в  очень тонкую капиллярную трубку, где еще охлаждается, а из-за сопротивления стенок трубки в нем также снижается давление. Затем хладагент поступает в  испаритель, находящийся внутри холодильника. Так как к этому моменту давление в хладагенте низкое, он может легко превратиться в газ. Поэтому, попав в испаритель, он быстро расширяется и превращается в газ, попутно поглощая большое количество тепловой энергии, благодаря чему температура в холодильнике падает. Таким образом, благодаря постоянно повторяющимся сжатию, конденсации и испарению хладагента в холодильнике поддерживается довольно холодная температура. Раньше в качестве газообразного хладагента в основном использовался фреон. Фреон – это искусственное химическое соединение, легко превращающееся в жидкость, низкотоксичное и малоопасное для человеческого организма. Однако, после того как было обнаружено разрушительное воздействие фреона на озоновый слой, было запрещено производство холодильников, использующих так называемый особый фреон с большой разруши-

86

В настоящее время начали распространяться бесфреоновые холодильники, в которых в качестве хладагента используется изобутан. Изобутан не разрушает озоновый слой, а на глобальное потепление климата1 оказывает воздействие, примерно равное углекислому газу. Поэтому он является более безопасным для окружающей среды, чем альтернативный фреон.

Конденсатор

Охлаждает хладагент примерно до 40 °С, после чего хладагент превращается в жидкость

Капиллярная трубка

Очень тонкая, при прохождении через нее хладагент еще более охлаждается

Испаритель

Здесь хладагент испаряется, забирая из окружающего воздуха тепло

Компрессор

Здесь хладагент сжимается. Сжатый хладагент представляет собой газ с температурой, приблизительно равной 80 °С

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

тельной силой. Вместо этого стали использовать альтернативный фреон с  относительно небольшим разрушительным эффектом. Но фреон является одной из причин развития глобального потепления климата, поэтому проблема его использования остается.

В холодильнике посредством хладагента искусственно создается ситуация, когда жидкость, испаряясь и превращаясь в газ, забирает тепло из окружающей среды.

1

На основании СО2 определяют парниковый эффект от прочих парниковых газов.

87

Можно готовить без огня! Как устроена микроволновая печь? Микроволновая печь разогревает еду с  помощью особых электромагнитных волн, называемых микроволнами. Микроволновая печь снабжена магнетроном – устройством, представляющим собой биполярную трубку с магнитной силой, которое и излучает микро волны. Из катода магнетрона выходят электроны, которые, подвергаясь воздействию магнитного поля, начинают вращаться и вибрировать вокруг катода, не достигая анода. Эти колебания вызывают резонанс в  аноде, благодаря чему возникают микроволны. Чтобы эти микроволны могли достичь блюда, поставленного в микроволновую печь, они направляются волноводом. Многие продукты питания и  блюда содержат воду, а  микроволны как раз лучше всего нагревают молекулы воды. У  молекул воды есть положительный и отрицательный полюса1, и, попадая под воздействие микроволн, молекулы начинают вибрировать и вращаться. Скорость такого вращения приблизительно равна 2,4 млрд оборотов в секунду. Подобно тому, как поднимается температура тела человека при быстрых движениях, при очень быстрых колебаниях молекул воды разогревается пища. Такой способ нагревания называется ди элект рический нагрев. Микроволновые печи могут приготовить еду без использования воды и за короткое время, благодаря чему потеря чувствительных к нагреванию витаминов и влаги незначительна. Однако микроволны обладают и недостатком. Они движутся по прямой, подобно лазерному лучу. А так как излучающий микроволны магнетрон установлен в  одном фиксированном месте, внут ри печи появляются зоны, в которые микроволны не попадают. Поэтому внутри микровол-

В молекуле воды атом кислорода обладает большой электроотрицательностью (способностью притягивать общие электронные пары) и имеет слегка отрицательный заряд. А атом водорода меньше атома кислорода и имеет слегка положительный заряд.

1

88

новой печи по центру установлен вращающийся столик, чтобы обеспечить попадание микроволн на всю порцию еды.

Металлическая коробка

Поддон

Емкость

Еда

Магнетрон (источник колебаний)

Микроволновая печь, осуществляющая прямой нагрев пищи внутри металлической коробки посредством электромагнитных волн, производимых магнетроном

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

Кроме того, микроволны вредны для человеческого организма. Чтобы они не просочились из микроволновой печи наружу, дверь печи покрывают металлической сеткой, которая блокирует микроволны. Ячейки этой сетки меньше длины микроволн, поэтому они не могут пройти сквозь эту сетку.

Глава

В зависимости от нагревания кухонной посуды существует прямое и непрямое нагревание пищи. В микроволновых печах (и в индукционных плитах) работает прямое нагревание, а в электрических духовках – непрямое нагревание.

89

От Токио до Осаки всего за 2,5 часа! Почему синкансены1 такие быстрые? Начиная с 1964 года, когда была открыта первая линия высокоскоростной железной дороги, синкансены продолжают постоянно развиваться. В  настоящее время самым быстрым является синкансен «Хаябуса» восточно-северной железной дороги, который развивает скорость до 320 км/ч. Самая большая скорость обычных поездов достигает 130 км/ч, как же тогда синкансены могут развивать такую большую скорость? Секрет скорости синкансенов кроется в нескольких составляющих. Прежде всего в синкансенах распределяется движущая сила. В обычных поездах движущая сила сосредоточена в головном вагоне, который тянет за собой остальные вагоны. В синкансенах же движущая сила есть в каждом вагоне, что естественно увеличивает скорость движения поезда. Кроме того, в  синкансенах удалось снизить вес всего состава. Важным моментом для увеличения скорости является снижение веса, давящего на рельсы. Если на момент начала эксплуатации синкансенов нагрузка на рельсы составляла 15 т, то благодаря использованию, например, сплавов алюминия2 в настоящее время нагрузку удалось снизить до 11 т. Более того, чем шире колея, по которой идет поезд, тем поезд устойчивее и тем проще ему развивать скорость. В Японии используются два вида колеи, на обычных железных дорогах ширина колеи составляет 1067 мм, в то время как на линиях синкансен ширина колеи равна 1435 мм, что существенно шире. Ну и  наконец, важную роль играет такая отличительная черта поездов синкансен, как обтекаемая форма носа. Сопротивление воздуха увеличивается пропорционально скорости движения транспортного средства. И  чтобы уменьшить сопротивление воздуха и  увеличить скорость, нос синкансена сделали заостренным. Синкансены – японские высокоскоростные поезда. – Прим. перев. Такой сплав состоит преимущественно из алюминия (Al). Однако чистый алюминий хотя и легкий, но слишком мягкий, поэтому к нему добавляют, например, медь или марганец, чтобы увеличивает прочность.

1

90

2

Обтекаемость

Более широкая колея

z Причины высокой скорости синкансенов

1435 мм

Уменьшение сопротивления воздуха

Обычные железные дороги 1067 мм

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

При скорости выше 200  км/ч, естественно, и  центробежная сила будет большой. С помощью следующих двух мер предотвращают сход поезда с рельсов. Во-первых, стараются делать как можно больше участков железнодорожных линий прямыми, по мере возможности избегая поворотов. Во-вторых, в  местах поворотов делают разницу в  высоте между правым и левым рельсами.

В настоящее время проводятся исследования, целью которых является увеличение скорости синкансенов до 360 км/ч.

91

Так необходимы во время стихийных бедствий! Почему батареи могут накапливать электричество? Компьютеры, смартфоны, цифровые камеры, часы и еще множество необходимых в нашей жизни электроприборов работают от батарей. Благодаря батареям мы можем пользоваться этими предметами, не подключаясь постоянно к розетке, а также находясь далеко от дома. Есть два основных типа батарей. Первый тип – это так называемые физические батареи, которые превращают природную энергию, например свет или тепло, в электричество. К ним относятся солнечные батареи. Второй тип – это так называемые химические батареи, в которых используются химические реакции между веществами. Химические батареи подразделяются еще на три подвида: одноразовые первичные гальванические элементы, например сухие батарейки; аккумуляторы, используемые, например, в автомобилях; топливные элементы, подобные электрогенераторам. Обычно под словом «батарея» мы подразумеваем первичные гальванические элементы и аккумуляторы. Рассмотрим, как можно сделать самую простую батарею. Разрежьте пополам лимон, вставьте в него монеты достоинством в десять и одну иену, соедините их тестером, который измеряет напряжение, и вы увидите, что стрелка тестера переместится. Базовая структура батареи состоит из двух разных металлов и электролитического раствора1, обладающего электропроводностью. Медная монета в десять иен становится плюсовым полюсом, алюминиевая монета в одну иену становится минусовым полюсом, а лимонный сок выступает в роли элект ролитического раствора. Используемые металлы должны быть таковы, чтобы один из них хорошо плавился в электролитическом растворе, а другой бы плавился плохо.

92

Электролитический раствор – водный раствор, в котором расплавляются ионы.

1

Если продолжить выработку электричества, то электроны будут выделяться из легкоплавкого металла до тех пор, пока тот полностью не растворится, и тогда реакция прекратится. Роль первичной батареи на этом и заканчивается. Во вторичных же батареях направляют электрический поток в обратную сторону, так чтобы минусовой полюс стал плюсовым, и таким образом восстанавливают исходное состояние. z Схема батареи из лимона Плюсовой полюс (плохо плавящийся в электролитическом растворе металл)

Минусовой полюс Поток электронов

Медь

Алюминий

Электрон

Электрон Ион алюминия

Водород

Ион водорода

Глава

4 Химия в технологиях. Разберемся в устройстве бытовых электроприборов и технологий

В предыдущем примере алюминий (монета в одну иену) расплавляется в  электролитическом растворе лучше, чем медь (монета в десять  иен). Атомы алюминия выделяют электроны и  превращаются в  ионы, которые расплавляются в  электролитическом растворе. Если теперь подсоединить провод, то отпавшие электроны пойдут по нему.

Электролитический раствор (лимонный сок)

После открытия электролитического раствора, который обеспечил быструю зарядку и выдачу высокого напряжения у литийионных аккумуляторов, была опровергнута общепринятая идея, что плотные жидкости не подходят для электролитов.

93

Как навигатор в автомобиле определяет местоположение? Автомобильный навигатор представляет собой технологию, использующую спутниковую систему глобального позиционирования (GPS), которая изначально разрабатывалась для американской армии. Такие спутники оснащены атомными часами, которые с предельной точностью отправляют информацию на землю. На основании разницы во времени между моментом отправки информации и моментом, когда она достигает автомобиля, вычисляется расстояние от спутника1 до навигатора, и так определяется местоположение автомобиля. Однако если пользоваться только этими данными, возможны ошибки, например из-за наличия зданий. Поэтому эти данные сопоставляются с картой в навигационной системе автомобиля, и так определяется местоположение автомобиля на дороге. z Система определения местоположения по GPS Информация о пробках в Японии собирается в Японском информационном центре дорожного движения, после чего она рассылается каждым производителем в отдельности.

Информация о разнице во времени получения/отправки сигнала Местоположение автомобиля

Хотя в последнее время существуют разные теории, поскольку спутник вращается вокруг Земли с большой скоростью, то часы отстают из-за релятивистского эффекта, но с другой стороны влияние гравитации Земли ослаблено, поэтому часы идут с опережением. Автомобильные навигационные системы корректируются с учетом этих эффектов.

1

94

Сигнал от спутника

V

Химия живых существ

Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

Общая проблема всего мира! Почему насекомые есть везде? Существует множество видов насекомых, если из того места, где вы сейчас находитесь, поехать куда угодно, даже в самую пустынную местность, везде будут жить насекомые. Тип членистоногие включает в себя насекомых, ракообразных, паукообразных и  многоножек. Их тело покрыто твердой оболочкой, а конечности, как и следует из названия, являются членистыми. К ним относятся также обитающие в воде креветки и крабы. Однако чаще всего, говоря «насекомые», мы подразумеваем членистоногих, живущих на земле. Насчитывается более 1,3 млн видов членистоногих, в царстве животных это самый многочисленный тип. Членистоногие составляют 85 % от всех животных. Это значит, что 3/4 от всех животных в мире занимают членистоногие. Как же им удалось достичь такого результата? Животные появились на земле около 500 млн лет назад, в древнем океане. Выход животных из океана на сушу сопровождался огромными трудностями. При выходе из воды на сушу влага в организме постепенно испаряется, и возникает сильное обезвоживание. Чтобы животные могли выжить, в их организме стало содержаться более 60 % воды. Чем меньше площадь тела, тем быстрее происходит испарение. Поэтому в  особенно сухой день живое существо размером с  насекомое не проживет и минуты. Чтобы справиться со сложившейся ситуацией, у  членистоногих, включая насекомых, кожа стала водонепроницаемой. Победить возникшие трудности помог появившийся твердый и прочный экзоскелет, называемый кутикулой1, покрытый секреторными выделениями. В основе этих секреторных выделений лежит воск, роль которого – отталкивать воду. Имея такое водостойкое покрытие, членистоногие могли вернуться жить в воду. Среди насекомых множество умеет летать. Прежде чем появились первые летающие позвоночные животные вроде птерозавров, на В общем случае слой, покрывающий некоторых животных и  растения. У  растений состоит из кутина и воска, однако его функция контроля транспирации растений аналогична оболочке членистоногих.

1

96

протяжении почти 50 млн лет насекомые были единственными животными, умеющими жить в воздухе.

z Поверхность тела насекомого Сенсилла Сенсилла

Восковой слой Внешний хитиновый слой Внутренний хитиновый слой Клетки эпидермиса

Сенсорные клетки

Покрытые тонким слоем воска хитиновый покров и кожа содержат разные сенсорные клетки и сенсиллы (взято у Bachsbaum с изменениями)

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

В ходе эволюции насекомые достигли большого разнообразия и  стали жить повсюду на Земле: и на суше, и в воде, и в воздухе. Так они заняли лидирующее положение в царстве животных.

Глава

Взято у Исикава Рёсуке «Рождение насекомых» (изд-во Chuokoronsha)

Около 400–500 млн лет назад следом за растениями из океана на сушу вышли насекомые. Развив водостойкий кожный покров, насекомые быстро завоевали всю Землю.

97

Такой приятный для глаз, успокаивающий цвет! Почему растения зеленые? Если не брать в расчет осеннюю пору и декоративные растения с особыми пигментами, то в целом любое растение будет зеленого цвета. Причиной этого является хлорофилл, пигмент зеленого цвета. Хлорофилл – необходимый элемент фотосинтеза. Если говорить очень просто, то фотосинтез  – это использование света в  качестве энергии, а  также воды и  углекислого газа из воздуха для производства кислорода. Хлорофилл образовался в клетках сразу после зарождения жизни на Земле. Затем появились так называемые цианобактерии, способные к  фотосинтезу. Цианобактерии вели процветающую жизнь в океане, выделяя в атмосферу большое количество кислорода. Затем в океане появились разные виды водорослей: красные, серые и зеленые. Морские водоросли, рекомбинируя клетки, богато разрослись в  мировом океане, продолжая фотосинтез. Образуемый при этом кислород распространялся в атмосфере и постепенно накапливался в ее верхних слоях. Благодаря чему над поверхностью земли начал формироваться озоновый слой1, защищающий Землю от воздействия сильного ультрафиолетового излучения, способного разрушать даже содержащиеся в  генах ДНК. Таким образом, благодаря развитию водорослей наконец-то началась подготовка к выходу живых существ на сушу. Бурые водоросли растут в глубоких местах, зеленые же произрастают на мелководье. Затем у  водорослей, растущих на мелководье, постепенно развились корни, стебли и листья, и они стали подходить для жизни на суше. Так зеленые водоросли из пресной воды переместились на сушу. Другими словами, благодаря тому что на сушу первыми перебрались зеленые растения, и сейчас произрастающие на земле их потомки в основном зеленые. Как известно, первыми на сушу выбрались именно расте Поглощая ультрафиолет, кислород (О2) превращается в озон (О3). Озон нестабилен и поэтому легко превращается обратно в кислород. Но так как в стратосфере постоянно находятся ультрафиолетовые лучи, кислород снова полностью превращается в озон.

1

98

ния. Затем, привлекаемые этими растениями, на сушу вышли животные, питающиеся в основном растительной пищей.

Из солнечного света растения поглощают, например, красный и синий свет, а зеленый отражают

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

Кроме того, для осуществления фотосинтеза растения из всего спектра света, получаемого от солнца, поглощают синие и  красные цветовые волны, а зеленые оставляют. Неиспользуемые волны зеленого цвета растения отражают и пропускают, поэтому листья растений выглядят зелеными с обеих сторон.

Глава

Химическое строение хлорофилла очень похоже на строение гемов – пигментов в крови животных. Это означает, что в самом начале развития у животных и у растений были общие предки.

99

В каждом сезоне распускаются разнообразные цветы! Почему цветы цветут? Точка роста растений изначально была элементом в  системе обеспечения растения питательными веществами для поддержания жизни. Точка роста  – это место активного деления клеток на концах стеблей и корней растений. Растения имеют две точки роста. Одна, как будто преодолевая гравитацию, тянется вверх к  небу. Другая, как будто пытаясь проникнуть к центру земли, тянется вниз по направлению гравитации. Точка роста, направленная против гравитации, называется стебель, а  вторая, тянущаяся вслед гравитации, называется корень. По мере роста стебля точка роста формирует новые органы. Это листья . В то время как стебли и корни растут прямо и последовательно и имеют вытянутую форму, листья в форме пластины хаотично располагаются на стебле на определенных расстояниях, имеют лицевую и тыльную стороны. Рост стебля и  листьев определяет молодость растения. В  листьях растения в  период его молодости содержатся хлоропласты, активно осуществляющие фотосинтез, что не только способствует росту растения, но и обеспечивает нас необходимым кислородом и углеводами. Однако затем наступает время, когда рост растения заканчивается. В этот период меняются размер и цвет уже выросших стеблей и листьев, а также их свойства. Бывшая до этого момента элементом питания для поддержания жизни организма точка роста теперь становится репродуктивным элементом, нацеленным на поддержание вида. Точка роста видоизменяется и создает из листьев и стебля цветок.

100

z Полярность растений

Если у одуванчика отрезать корень, посадить в горшок и перевернуть этот горшок, все равно бутон появится со стороны исходного стебля

Глава

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

Хотя предположение о  существовании гормона флориген1, отвечающего за цветение растений, было сделано еще в 1936 году, долгое время его природа оставалась неразгаданной. И только в  начале XXI века с помощью молекулярно-генетического анализа смогли понять природу явления. На стебле формируется глобулярные белки. Циркадные часы и  получаемая информация о  количестве света определяют продолжительность дня, в нужный момент посылают флориген на верхушку стебля и инициируют образование цветочного бутона.

Растения, поскольку не могут самостоятельно передвигаться, для размножения привлекают насекомых. Предлагая им нектар, растения с помощью насекомых распространяют свои семена. Для этого и расцветают цветы.

1

Растительные гормоны – это органические вещества, вырабатываемые внутри растений, которые находятся в очень небольшом количестве и контролируют рост растений и разные физиологические функции.

101

Кедру дзёмон уже 4000 лет! Почему деревья вырастают такими большими? У растений есть первичный и  вторичный рост. Первичный рост  – это когда в точках роста на концах стебля и корня происходит активное деление клеток. Вытягиваясь по вертикали, растения увеличивают длину по направлению силы тяжести. Вторичный рост – это разрастание клеток по горизонтали, когда стебель и корни утолщаются. В качестве сырья для роста и размножения клеток используется вырабатываемая в листьях в процессе фотосинтеза глюкоза, а также впитываемые через корни вода и неорганические вещества. Глюкоза спускается вниз по внешней части коры, а вода и минеральные вещества поднимаются вверх по внутренней части растения. Посреди этой транспортировки сырья вверх и вниз находится своеобразная фабрика по активному производству клеток, называемая камбий. Здесь и  происходит прирост клеток по горизонтали и  производство клеток, образующих ствол. Некоторые из клеток камбия становятся материнскими клетками для новых клеток. Другие отправляются во внешнюю или внутреннюю часть ствола, где становятся клетками коры или ксилемы1. Здесь важно обратить внимание на те клетки, которые попадают в  ксилему. Эти клетки не делятся, а только растут в размерах. Достигнув предела роста, они погибают. На самом деле именно эта гибель клеток является основным фактором роста деревьев. Погибая, клетки деревьев начинают создавать в несколько раз более толстые, чем обычно, клеточные стенки. Это изменение, не происходящее в других частях растения, называется одеревенением. Из-за одеревенения клеточные стенки укреп ляются, а ствол становится прочным. Именно поэтому деревья могут на протяжении нескольких сотен лет противостоять ветрам и снегам.

102

Ксилема – часть проводящего пучка растений, где собраны водопроводящие сосуды и трахеиды.

1

Деревья, становясь больше и выше, могут поглощать больше света, благодаря чему могут становиться еще толще и длиннее. Флоэма (транспортировка глюкозы)

Вода (H2O)

Глава

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

За некоторым исключением, жизнь клеток деревьев короткая. Включая в процесс роста и гибель клеток, получаем, что в течение довольно короткого цикла клеточные стенки утолщаются.

Сосуды (транспортировка воды и неорганических веществ)

Различие между травами и деревьями состоит в том, что у трав есть только первичный рост, а у деревьев, кроме первичного, есть вторичный рост, когда клетки разрастаются еще и по горизонтали.

103

Символ японского лета! Почему светляки светятся? Летними ночами вдоль берегов реки тут и там светятся огоньки светляков. В  Японии существует около 40  видов светляков, но на самом деле это не значит, что все они светятся. Среди японских светляков излучают свет около 10 видов, например гендзи-ботару и хейке-ботару. Но это касается только свечения самих насекомых, если же учитывать свечение яиц и  личинок, то можно сказать, что все виды светляков светятся. Производимое светляками свечение бывает трех видов: с целью спаривания, вследствие воздействия раздражителя и  с  целью отпугивания. В ночное время, светясь, летают в воздухе в основном самцы, самки же по большей части прячутся в тени трав и скромно излучают тихое свечение. Среди самок светляков есть и такие, которые, имитируя свечение других видов, заманивают самцов этих видов и охотятся на них. Органы свечения у светляков находятся в задней части тела. Свечение получается вследствие химической реакции двух веществ: светоизлучающего вещества люциферина и способствующего свечению фермента люциферазы1. Люцефирин, используя люциферазу в качестве катализатора, окисляется и излучает энергию в виде света. Люцифераза – вещество, состоящее из белков, образуется в  организме живых существ и используется для повышение эффективности химических реакций. Благодаря действию люциферазы 97 % получаемой энергии становятся светом. Из-за этого свечение светляков не сопровождается выделением тепла. Если подумать о том, что в лампах накаливания только несколько процентов электрической энергии идет на свет, а все остальное превращается в тепловую энергию, становится понятно, насколько эффективно устроена система свечения у светляков. Среди живых существ подобным образом излучают свет не только светляки. Например, обитающий в глубинах морей атлантический гиманто Люминесцентный фермент, остающийся после того, как люцифериновый субстрат расходуется вследствие экстрагирования люминесцентного вещества холодной водой и его свечения в кислороде.

1

104

z Свечение светляков Cамка

Cамец

Люциферин

Люцифераза

Свет Органы свечения

Глава

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

лоф охотится на мелкую рыбу, привлекая ее свечением. Излучают яркий свет и некоторые из дрейфующих в морской воде медуз. И еще разные живые организмы из обитающих на Земле могут излучать свет.

Светящиеся живые организмы вроде светляков излучают холодный свет, практически не сопровождающийся выделением тепла. Такой свет возникает в результате окисления люминесцентного вещества с участием катализатора.

105

Почему домашние куры несут так много яиц? Обычно когда речь идет о яйцах живых существ, мы представляем себе зарождение новой жизни. Однако те яйца, что мы употребляем в пищу в обычной жизни, называются неоплодотворенными, и не предназначены для получения потомства. Сколько ни грей купленные в супермаркете яйца, цыплята из них не выведутся, поскольку эти яйца не являются оплодотворенными. Появление неоплодо творенного яйца – это результат овуляции у кур, которая подобна овуляции у людей, только у кур овуляция происходит ежедневно. И  даже если не произойдет спаривания с петухом, курица будет нес ти яйца. Кроме того, яйцевод курицы устроен так, чтобы постоянно нести яйца. Рядом с  выходом находится почти полностью сформированное яйцо, перед ним находится желток в белковой оболочке, перед этим находится только желток. Таким образом, путь яйца до конечной формы похож на ленточный конвейер. Считается, что современные домашние куры произошли от красных джунглевых кур, обитающих в тропических лесах Юго-Восточной Азии. Обычно дикие куры откладывают столько яиц, сколько птенцов они способны вырастить. Однако если часть яиц крадут дикие животные или, например, змеи, то вместо них курица снесет новые яйца. И чем больше яиц будет украдено, тем больше курица будет нестись. Это качество есть не только у красных джунглевых кур, но и у всех видов птиц. Люди, считающие куриные яйца вкусными, обратили внимание на это свойство кур и стали забирать яйца сразу после их появления. Но и у этого процесса есть ограничения. Если курица нездорова, то даже если она и  захочет отложить яйцо, она не сможет. Поэтому люди обеспечивают курам комфортные условия, защищают от внешних врагов, кормят питательными кормами. Выращиваемая в таких условиях курица теряет инстинкт насиживания1. Улучшенные таким образом куры несут яйца практически каждый день на протяжении всего года.

106

1

И нстинкт к согреванию яиц, а затем к выкармливанию в течение определенного периода времени вылупившихся птенцов, пока те находятся в гнезде.

Глава

z Яйцевод курицы

Формирование скорлупы

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

Фолликулы

Формирование Выработка подскорлуповой белка оболочки

Возможно, есть некая природная закономерность в том, что человек, потомок выживших в период разгула динозавров млекопитающих, использует в пищу яйца кур, которые являются дальними потомками динозавров1.

1

Откладывание курами яиц унаследовано ими от динозавров. В отличие от земноводных, откладывающих желеобразные яйца в воду, куры откладывают яйца в твердой скорлупе, а оплодотворение происходит внутри их организма. Именно поэтому рептилии, к  которым относились и динозавры, являются чемпионами по выживаемости на земле.

107

Как глубоководные морские обитатели выдерживают давление воды в глубине океанов и морей? Чем глубже опуститься под воду в море или океане, тем больше будет давление воды. На 10 м глубины давление увеличивается на 1 атмо сферу, поэтому при опускании на глубину более чем в 2000 м давление будет больше 20 атмосфер. Человек такое давление не может вынести. Однако в среде с подобным давлением воды обитает множество глубоководных обитателей1, и даже на глубине более 10  000  м можно найти живые существа. Как же они выдерживают такое давление? У обычных рыб внутри тела находится плавательный пузырь, регулируя количество воздуха в котором, рыба может плавать и нырять в воде. Однако у глубоководных рыб нет такого плавательного пузыря. В их теле нет воздуха, и они состоят практически из воды. И поэтому давление воды не может их раздавить, как нельзя раздавить погруженную в воду пластиковую бутылку, наполненную водой. z Связь глубины океана с живыми существами Клетки человека начинают деформироваться под воздействием давления воды на глубине в 4000– 5000 м.

Глубина (м)

0 200

Свет почти не проникает, фотосинтез невозможен

1000

Возможен отлов промысловых рыб

3000

Глубина погружения кашалота

4000

Начинается деформация клеток человека под воздействием давления воды Самая большая глубина, на которой было подтверждено существование рыб

8300

108

К глубоководным обитателям относятся, например, кальмары-светлячки и  уже знакомый нам атлантический гимантолоф, а также морские огурцы, морские звезды и т. д.

1

Почему вакасаги не замерзает подо льдом? 1

Глава

5

Плотность2 у льда температурой 0 °С меньше, чем плотность воды температурой 4 °С. Поэтому легкий лед может плавать на поверхности воды. При этом более плотная, чем лед, вода опускается ближе ко дну озера. Вследствие этого, даже если поверхность озера замерзла, озерные обитатели могут опуститься ближе ко дну озера и продолжать там спокойно жить, не замерзая. Здесь следует обратить внимание на молекулы воды. Молекулы воды, когда она в жидком состоянии, продолжают непрерывно двигаться. Однако при падении температуры движение молекул замедляется. При замерзании же движение молекул прекращается, и вода затвердевает. Так и получается лед.

Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

Вакасаги ловят зимой, делая прорубь на поверхности заледенелого озера. Почему же мелкая рыба, начиная с вакасаги, не замерзает подо льдом?

Удельный вес льда меньше, чем у воды, поэтому он плавает на поверхности воды

В ясные дни можно видеть, как от замерзшей поверхности озера поднимается пар, это происходит потому, что под воздействием солнечного света температура воды повышается.

0 °C

4 °C

Вакасаги – озерная рыба в Японии, похожая на корюшку. – Прим. перев. При температуре 4  °С плотность воды самая большая, это происходит потому, что у  молекул воды есть полярность, и  они образуют посредством водородных связей ассоциации молекул (кластеры).

1 2

109

Длина тела более 30 м! Почему динозавры были такими огромными? Существуют разные теории, объясняющие, почему динозавры были такими огромными, но, скорее всего, это получилось в результате нескольких причин. Прежде всего вспомним о том, что динозавры – это рептилии. А рептилии, по сравнению с  млекопитающими, обладают более сильным иммунитетом и живут дольше. И в то время как у млекопитающих и птиц размер тела запрограммирован, рыбы, земноводные и рептилии растут всю жизнь, и поэтому чем дольше живут, тем больше становятся. Кроме того, при увеличении размера тела его площадь поверхности по отношению к  объему уменьшается, а температура тела увеличивается. Поэтому требуется меньше энергии на поддержание температуры тела, и лишняя энергия может пойти на дальнейший рост. Также считается, что физический предел массы тела у наземных животных составляет около 140 т. Предполагаемый вес сейсмозавра – крупнейшего из известных динозавров – был около 42 т. То есть у динозавров не было физических ограничений в размерах. Более важными были окружающая среда и экологические ограничения. В те времена, когда существовали динозавры, содержание углекислого газа в атмосфере было примерно в 10 раз выше, чем сейчас. При таких условиях, естественно, растения тоже росли быстрее. И можно сказать, что такие богатые растительные ресурсы также обеспечивали возможность увеличения роста динозавров. Однако существует тенденция обратно пропорциональной зависимости между скоростью роста растений и  питательной ценностью на 1  лист растения. Другими словами, если быстро растущие растения являются основной пищей, то возникает необходимость увеличивать их количество в рационе.

110

При увеличении размера желудка увеличивался и  объем талии, вследствие чего свобода движений ограничивалась, и динозаврам было трудно совершать небольшие повороты. Поэтому, чтобы доставать до пищи в разных местах, возникла необходимость в длинной шее. И чтобы сбалансировать длинную шею, хвост тоже стал длиннее. Таким образом, в  соответствие с  окружающей средой продолжалось увеличение в  размерах динозавров. Чтобы поддерживать тяжелое тело, ноги должны утолщаться. Однако у возможной толщины ног под телом есть ограничения. Поэтому не существовало динозавров весом в сто и более тонн (Benton, 1993)

100 000 кг (100 т)

12 500 кг (12,5 т)

Глава

5 Химия живых существ. Приблизимся к удивительной жизни вокруг нас!

Травоядные динозавры во время еды не кусали пищу, а обычно заглатывали целиком. Проглоченная пища на протяжении длительного времени переваривалась в  желудке с  помощью гастролитов1 и  бактерий. Для переваривания большого количества растительных волокон требовалось довольно много времени, и желудок должен был быть довольно большим.

100 кг

Появившиеся вместе с суперконтинентом динозавры разделялись на разные виды вместе с разделением суперконтинента.

1

Гастролиты у травоядных динозавров – камни, которые, перетираясь в желудке вместе с пищей, размельчали ее. Когда у одного камня появлялись шероховатости, динозавры выплевывали их и заглатывали новые камни.

111

Почему птиц, сидящих на электрических проводах, не бьет током? Медные электрические провода чаще всего покрыты изоляцией1. Однако это не единственная причина того, что птицы на проводах не получают удар током. Электричество течет потому, что есть разница в напряжении. Оно течет от высокого напряжения к низкому, подобно потоку воды. Это называется разностью потенциалов. Разность потенциалов не возникает в  одном месте, а  появляется при контакте чего-либо с чем-либо другим. Когда птица садится на электрический провод, она двумя лапками находится на одном проводе, и так как там нет разности потенциалов, то ток не потечет. Если же птица встанет одной лапкой на один провод, а второй лапкой на другой провод, или если она дотронется до другой птицы, то возникнет разность потенциалов, и птицу ударит током.

Чтобы избежать удара током, важно не допустить возникновения разности потенциалов.

112

1

Используемый в качестве изоляции сшитый пенополиэтилен представляет собой трехмерную сетчатую структуру. «Поли» означает «много», как и в слове «Полинезия».

VI

Химия Земли и космоса

Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

Земля вначале была огненным шаром?! Как же появилась Земля, какой мы ее знаем? Уникальность Земли в Солнечной системе состоит в том, что на ее поверхности существует вода в жидком виде, то есть море в открытой форме1. При этом вода в виде льда существует не только в Солнечной системе, но и, например, в Млечном Пути. Являющаяся в  настоящее время одной планетой, Земля раньше была лишь скоплением малых небесных тел. Многократно сталкиваясь, эти тела соединились в  одну планету, при этом высвободилась потенциальная энергия и поднялась температура. Потенциальная энергия – это энергия, хранящаяся в объекте, пока тот находится в одном положении. На поверхности только что образованной Земли была кипящая магма, которую покрывала примитивная атмосфера, состоящая из легко превращающихся в газы веществ. Только что рожденная Земля была похожа на огненный шар, однако жар постепенно выделялся в космическое пространство и  Земля остывала. Пока Земля потихоньку остывала, на поверхности моря магмы начала образовываться похожая на тонкую пленку корочка. При остывании примитивной атмосферы содержащиеся в ней водяные пары начали конденсироваться и выпадать на поверхность Земли в виде дождей. На протяжении тысячи лет ежегодно выпадало около 10 м дождей, что привело к образованию океанов. И какое-то время вся поверхность Земли была покрыта океаном. Весьма известна теория о том, что жизнь зародилась в  гидротермальных источниках на дне этого океана, однако эта теория не единственная. В то время постоянно повторялся следующий процесс: океаническая вода испарялась, затем конденсировалась в  атмосфере, где, растворяя содержащийся в  атмосфере углекислый газ, снова выпадала в  океан в виде дождей. В процессе этого родилась континентальная кора и начала понемногу выступать над поверхностью океана. Затем возникли

Хотя поверхность спутника Юпитера – Европы – покрыта льдом, под этим льдом прячется жидкое море. То же самое на спутнике Сатурна Энцеладе. Существует большая вероятность того, что рождение микроорганизмов связано с вулканической активностью на дне морей.

1

114

По прошествии некоторого времени выработалась реакция фотосинтеза, процесс создания необходимых для организма минеральных веществ с помощью энергии солнца. Так возникла биосфера, и так мы получили Землю, населенную жизнью и в воде, и на суше. z Процесс формирования первобытной Земли Планетезимали

Океан магмы

Примитивная атмосфера

Биосфера Железо/никель Первобытный океан

Ядро

Континентальная кора

Глава

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

механизмы циркуляции, регулирующие количество углекислого газа в атмосфере. Океан стабилизировался, стабилизировалась окружающая среда на поверхности Земли, и в океане зародилась жизнь.

Океаническая кора Верхняя мантия Нижняя мантия

Если бы в период, когда Земля была вся покрыта океаном, не появилось бы континентальной коры, то из-за парникового эффекта углекислого газа океан бы весь испарился. Именно это случилось на Венере.

115

Япония – одна из стран-лидеров по количеству вулканов! Почему вулканы извергаются? Извержение вулкана – это выплескивание на поверхность земли магмы, обычно находящейся под землей. Магма представляет собой раскаленную жидкую субстанцию с большим содержанием кремниевой кислоты и с примесью небольшой порции кристаллов. Изначально магма образуется из расплавленных пород мантии, находящихся глубоко под землей. Если провести аналогию между Землей и яйцом всмятку, то мантия будет соответствовать белковой части яйца. В этом случае кора Земли, на которой мы все живем, будет соответствовать скорлупе яйца, а  ядро Земли будет соответствовать желтку. Ядро Земли – наш «желток» – состоит из расплавленного железа, а мантия – наш «белок»  – состоит из горных пород, называемых перидотитами. Когда перидотиты плавятся под землей, образуется магма. Существует только три типа мест, где магма может оказаться на поверхности земли. Это океанические хребты, островные дуги (вроде Японии) и горячие точки. Океанические хребты  – это огромные горные хребты на дне океа нов. Находящиеся глубоко под землей в океанических хребтах, перидотиты вследствие мантийной конвекции1 поднимаются вверх, разделяются на две стороны и образуют океанические плиты. В центре этого разделения под землей на глубине до 10  км образуется резервуар магмы, называемый магматический очаг. Поднимаясь из этого очага, магма периодически извергается, образуя таким образом вулканический пояс. Так возникает новый океанический хребет. Движения в  океанических плитах, образующих океанические хребты, происходит на протяжении сотен тысяч лет, однако они богаты водосодержащими минералами, которые вступают в  реакции с  океанической водой. Кроме того, собирается большое количество водосодержащих на Чем ближе к  центру Земли, тем температура выше. Эта температура может переноситься на поверхность Земли. Такой поток энергии и становится конвекционным движением. В твердой мантии происходит движение как в жидкости, только растянутое по времени на сотни миллионов лет.

1

116

Магма под давлением или при превышении определенного предела поднимается вверх. По мере поднятия магмы давление падает, летучие элементы вроде воды и углекислого газа отделяются, пенятся и превращаются в газ. При превращении воды в газ ее объем увеличивается в сотни раз. Давление магмы, зажатой в узком пространстве, быстро увеличивается, и происходит извержение вулкана. z Выход магмы в океанических хребтах Лава

Затвердевшая под землей магма Нерасплавленные перидотиты

Глава

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

носов. Когда океанические плиты встречаются с материковыми, погруженный в воду край материковой плиты поднимается вверх, выталкивая воду. Поскольку при добавлении воды перидотиты могут плавиться и  при низких температурах, образуется магма, которая скапливается в магматическом очаге.

Подъем горячей мантии

Гавайская горячая точка образовалась из-за выхода на поверхность земли большого потока мантии, называемого мантийным плюмом.

117

Японский архипелаг вступил в активный период! Почему происходят землетрясения? Хотя Япония занимает менее 0,3 % от площади всей суши Земли, на ее территории возникает 10 % от всех землетрясений в мире. Землетрясения можно разделить на два основных подвида. Землетрясения в  зоне субдукции Возникают на стыке двух литосферных плит, когда одна плита погружается под другую1. Из-за движения и трения плит возникает деформация, и плиты, стремясь вернуться в исходное положение, вызывают землетрясение. Землетрясения в зонах активных разломов Из-за движения литосферных плит возникают деформации, приводящие к подземным трещинам (активным разломам), в результате чего и происходит землетрясение. Такие землетрясения еще называют локальными. Япония находится на стыке нескольких литосферных плит, что необычно даже в мировом масштабе. Поэтому в Японии происходит так много землетрясений. z Землетрясение в зоне субдукции Гавайские острова находятся на тихоокеанской плите и с каждым годом понемногу приближаются к Японии.

Поэтому землетрясения могут сопровождаться извержениями вулканов. Несколько раз в истории Японии извержение Фудзи сопровождалось большими землетрясениями, как, например, во время землетрясения Дзёган-Санрику в 869 году.

1

118

В верхней части облака скапливаются положительные электрические заряды, а в нижней части – отрицательные. Если на поверхности земли скопятся положительные заряды, притягиваемые отрицательными зарядами облака, то возникнет электрический разряд1, направленный из облака к земле. Это и есть молния. На самом деле электричество плохо проходит в  воздухе. Однако когда возникает большая разница в напряжении между электричеством в облаке и  электричеством на поверхности земли, то электричество будет протекать и  через воздух. Но так как все-таки проходить через воздух ему затруднительно, электричество будет искать путь, по которому идти проще всего. Поэтому-то молния и пробегает зигзагообразно. Грохот грома возникает из-за сильной вибрации воздуха, который резко расширяется из-за нагревания электричеством.

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

Такие красивые молнии на небе! Почему молния идет зигзагами?

Глава

Когда разряд происходит внутри облака, можно увидеть, как облако светится.

1

Молнии возникают также между двумя тучами. Еще бывают синие джеты – молнии в виде синих длинных и тонких вспышек, идущих вверх от грозовых облаков.

119

Концентрация соли разная в зависимости от места и глубины! Почему морская вода соленая? Начиная с хлорида натрия, в морской воде содержатся разные виды солей. Соли – это химические соединения, получаемые в результате реакции нейтрализации между кислотой и основанием. Часто вмес те с солями выделяется вода. Среди прочих солей хлорид натрия часто называют пищевой солью, или же просто солью. Если выпарить 1 кг морской воды, то останется примерно 35 г соли. Если этот остаток разделить на компоненты, то около 80  % будет занимать хлорид натрия, около 10 % – хлорид магния, около 4 % – сульфат магния, около 4 % – сульфат кальция, около 3 % – хлорид кальция и еще около 1 % – карбонат кальция. Эти соли образуются в процессе выветривания минералов из горных пород на поверхности земли и разносятся ветрами. Смешиваясь с речной водой, они течением выносятся в моря. Помимо солей, в моря таким образом попадают и другие вещества, но соли из них самые многочисленные, кроме того, это химически стабильные соединения. Соли растворяются в  морской воде и  таким образом на протяжении долгого времени могут в  этой воде оставаться. Поэтому поступающие в небольших количествах с течениями рек соли накапливаются и делают морскую воду соленой1. Речная вода, оставив соль в море, испаряется, затем снова возвращается на землю и переносит новую порцию соли. Кажется, что тогда морская вода должна становиться все солонее и солонее, но на самом деле еще примерно 3,5 млрд лет назад, когда на Земле зародилась жизнь, концентрация соли в морской воде была примерно такой же, как и сейчас. При-

120

В последнее время много говорят об использовании воды с глубин океана. Вода там соленая, и ее нельзя просто так пить, поэтому для ее очистки от соли используют обратный осмос.

1

чина в том, что низкая концентрация оказывает большее влияние, чем насыщенность.

z Соли в морской воде Соли, растворенные в 1 кг морской воды (по ионам) Ионы натрия Na+ 10,7 г Оставшиеся соли (в 35 г) Хлориды магния (MgCl2) и др. Ионы сульфата (SO42–) и др.

Ионы хлорида Cl– 19,2 г

Испарение воды

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

Кстати говоря, в Мертвом море, находящемся между Израилем и Иорданией, такая большая концентрация соли, что люди могут там плавать, не совершая никаких движений. В Мертвое море впадает семь рек, но вода из него никуда не выходит. Кроме того, из-за сильного солнца и малого количества дождей вода там быстро испаряется, поэтому и  концентрация в  ней солей увеличивается. Хотя каждый день в  Мертвое море втекает много воды, благодаря активному испарению уровень воды не повышается.

Глава

Хлорид натрия NaCl 27,2 г

В Антарктиде есть незамерзающее озеро ДонЖуан, концентрация соли в котором в 6 раз1 выше, чем в морской воде. Это озеро считается самым соленым в мире, основная соль, содержащаяся в его воде, – хлорид кальция.

1

Похоже, что тут опечатка, так как в интернете фигурируют совсем другие данные, что соленость этого озера в 18 раз выше обычной морской воды... – Прим. перев.

121

Целый химический завод под землей! Как под землей образуется нефть? Существуют самые разные теории, объясняющие причины образования нефти под землей. Самая популярная из них теория органического происхождения. Сама эта теория тоже подразделяется на три подтеории, из которых мы остановимся на теории позднего диагенеза. В действительности разведка нефти осуществляется на основе именно этой теории. Прежде всего после гибели живого организма составлявшие его тело высокомолекулярные органические соединения (например, лигнин, углеводы, белки, жиры) разными способами разносятся и накапливаются на дне рек и морей. Есть теория, считающая, что эти останки просто превращаются в нефть, но теория позднего диа генеза считает по-другому. Высокомолекулярные органические соединения не просто так становятся нефтью, а  вследствие разложения микроорганизмами. Соединения взаимодействуют с водой, и в результате реакций вроде гидролиза образуются мономеры (структурные единицы полимеров), например сахара и  аминокислоты. Объединяясь, эти мономеры образуют новые соединения, тоже высокомолекулярные и органические, но уже другие, такие как содержащиеся в почве гумины, гуминовые кислоты и фульвовые кислоты. Снова объединяясь и  взаимодействуя, эти соединения подвергаются реакциям дезаминирования, декарбоксилирования и  восстановления, вследствие чего образуются еще более сложные по структуре высокомолекулярные соединения. Так формируется вещество под названием кероген. Кероген продолжает накапливаться, и  при повышении температуры в  нем происходит термическое разложение. В  результате чего наряду с водой и углекислым газом из керогена в больших количест вах начина-

122

ют образовываться жидкие углеводороды. Среди которых будут и высокомолекулярные углеводороды – сырая нефть.

С этой точки зрения недра земли весьма похожи на химический завод. Останки живых организмов используются как сырье, посредством микроорганизмов на протяжении долгого времени происходит разложение и накопление, в результате чего производится продукт1 – сырая нефть. z Классификация содержащихся в почве органических веществ Все органические вещества NaOH

Нерастворимые

Растворимые

Гумин

HCl

Нерастворимые

Растворимые

Гуминовая кислота

Фульвовая кислота

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

С увеличением глубины в  результате дальнейшего термического разложения образуется влажный природный газ (природный газ, в составе которого содержится более 0,002 % жидкости). Если еще продолжить углубляться, в конце концов, встретится графит или метан.

Глава

Кроме теории органического происхождения нефти, существует теория неорганического происхождения, которая, в свою очередь, подразделяется на теорию глубинного происхождения нефти и газа и теорию космического происхождения. 1

Образуется не только сырая нефть, но и природный газ. Поскольку газ легче воды, он поднимается вверх и накапливается под землей в местах, обеспеченных специальными условиями для накопления и хранения газа (в ловушках). Среди природных газов есть и такой, что не поднимается вверх, а накапливается в сланцах, такой газ называется сланцевым.

123

Отношения человека с огнем насчитывают миллион лет! Почему огонь горит? Объяснение явления горения долгое время было проблемой для химии. Древнегреческий философ Аристотель считал, что «в вещест вах вроде дерева или масла элемент [огонь] находится изначально, и при горении он выходит в виде пламени». И эта теория имела хождение в Европе аж до начала XVIII века. И только в конце XVIII века она была, наконец, ниспровергнута. Французский ученый Лавуазье1 проводил опыты, и, делая точные замеры на каждом этапе, установил, что при горении увеличение веса сгоревшего металла равняется уменьшению количества воздуха. В результате чего Лавуазье сделал вывод, что увеличение веса сгоревшего металла происходит потому, что к нему присоединяется некоторая часть воздуха. Эту часть воздуха он назвал кислород и предположил, что явление горения происходит не потому, что из кислорода выходит огонь, а из-за соединения веществ с кислородом. Горение пламени свечи – это горение газа. Но горение, например, древесного угля происходит без появления пламени. Как же это получается? Древесный уголь изготавливается в печах без доступа воздуха, и поэтому вместе с влагой из дерева выходит и горючий газ. По этой причине в древесном угле не остается газа, способного стать пламенем, и он горит, лишь светясь, красным светом. В форме излучаемых при горении света и  тепла выделяется избыток энергии, образованный при взаимном соединении атомов. Содержание кислорода в  атмосфере равно 21  %, и  если это количество увеличится всего на 4 %, все живые организмы на планете Земля сгорят.

124

Лавуазье был сборщиком налогов и поэтому был ненавидим горожанами. Во время Французской революции был гильотинирован.

1

Поддержание данного уровня кислорода в  атмосфере обеспечивается растениями.

z Опыт Лавуазье Воздух

Металл

y–x = c–b

Металл

Увеличение Уменьшение количества количества воздуха металла после горения

xg ag Заткнуть пробку и нагреть

bg

После охлаждения вынуть пробку

yg

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

И то, что наши предки смогли с помощью огня развивать цивилизацию, тоже произошло при поддержке растений. Если же мы будем сжигать слишком много, то увеличим содержание углекислого газа, что приведет к глобальному потеплению Земли, и наша планета может стать похожей на Венеру, где нет никаких растений. Ох, как неблагоразумно!

Глава

cg

При горении свечи твердое вещество свечи плавится и становится жидким, а затем, поднимаясь по фитилю и продолжая нагреваться, превращается в газ. Этот газ и становится пламенем при горении.

125

С древних пор люди используют солнечный свет! Почему же солнце светит? Энергия света от солнца непрерывно поступает к нам на Землю. С древних пор люди разными способами использовали солнечный свет, например в солнечных часах, для высушивания, для дезинфекции. Солнце состоит не из горных пород, подобно Земле, а из газа очень высокой температуры. Его вес превышает вес Земли в 330 000 раз. В центре солнца невероятно высокая температура – 16 000 000 °С! На поверхности же, называемой фотосферой, температура предположительно равна 6000 °С. В ядре солнца находится большое количество ядер водорода (протонов). Протоны – это положительно заряженные частицы в составе ядра атома. В солнце протоны соединяются друг с другом, и возникает реакция, в которой из четырех протонов образуется 1 ядро гелия. Одно ядро атома гелия легче, чем 4 ядра (протона) атома водорода. Поэтому в результате такой реакции вещество понемногу расходуется. Потери вещества превращаются в энергию, которая и становится источником солнечного сияния. Ядерная энергия, выделяемая в результате термоядерной реакции, идет из солнечного ядра до фотосферы на поверхности Солнца на протяжении миллиона лет. Затем в  виде света излучается в  окружающее пространство. Солнечный свет, который мы видим в настоящее время, был образован в солнечном ядре миллион лет тому назад. Период вращения солнца равен примерно 27  суткам, и  в  зависимости от положения солнца меняется количество солнечных пятен. Солнечные пятна – это темные участки на солнце с более низкой, чем на окружающей фотосфере, температурой, которые образуются из-за выхода в фотосферу сильных магнитных полей, блокирующих горячую плазму.

126

В соответствии с 27-дневным циклом изменения количества солнечных пятен меняется и количество облаков и гроз на Земле.

z Термоядерная реакция Ядро водорода

Протон

Позитрон

Нейтрон

Нейтрино Гамма-лучи

Ядро дейтерия

Из 6 протонов получается 2 изотопа ядер гелия. Затем из них образуется ядро гелия из четырех протонов и два свободных протона. Когда протоны превращаются в нейтроны, излучаются позитроны, которые соединяются с электронами и исчезают. При этом выделяется огромная энергия.

Изотопы ядер гелия

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

Более того, цикличность солнечной активности1 равна примерно 11 годам. Цикл изменения магнитного поля Солнца равен 22 годам. Были открыты также 200-летний, 1000-летний и даже 140 000 000-летний циклы (из «Насколько изменения на Земле зависят от космоса» Мияхары Хироко).

Глава

Ядро гелия

Солнце возникло примерно 5 млрд лет назад, до появления планет вроде Земли. Считается, что еще через 5 млрд лет Солнце погибнет.

1

В XVII–XVIII веках на протяжении примерно 50–60 лет продолжался минимум Маундера – период уменьшения количества солнечных пятен, сопровождавшийся уменьшением температуры. Вследствие чего в Северной Европе были неурожаи пшеницы. Говорят, что существует вероятность начала подобного периода уменьшения температуры и в настоящее время. С другой стороны, происходит глобальное потепление из-за повышения концентрации СО2, но механизмы возникновения этих явлений разные.

127

Хоть раз в жизни хочу увидеть! Как возникает полярное сияние? От Солнца в атмосферу Земли поступает не только свет, но и солнечный ветер, состоящий из ионизированного газа и полученной в результате термоядерной реакции радиации. Солнечный ветер и создает полярное сияние. На Солнце случаются взрывные процессы, называемые солнечные вспышки. Их еще называют взрывами солнечной поверхности, и эти явления считаются самыми мощными в солнечной активности. Солнечные вспышки сопровождаются разными высокоэнергетическими явлениями, такими как: излучение рентгеновских лучей в большом количестве; излучение космических лучей – частиц, движущихся с высокими энергиями; генерирование огромного облака ионизированного газа; выход ударной волны. Поэтому в  солнечном ветре содержится радиация. Если бы солнечный ветер прямо попадал на Землю, большинство живых организмов погибло бы. Препятствует этому магнитное поле Земли. На поверхности подобных Земле планет и спутников образуется магнитное поле, которое называют магнитосферой. Когда солнечный ветер встречается с  магнитосферой, магнито сфера иногда сжимается примерно на половину. Из-за этого хранящиеся в магнитосфере Земли протоны, ионы и электроны притягиваются к южному и северному полюсам. Притянутые электроны сталкиваются в атмосфере Земли с кислородом и азотом, вступают в реакцию, вследствие чего в атомах излучается особый свет. Это и есть полярное сияние1. Солнечный ветер охватывает все планеты Солнечной системы, включая Землю, и играет роль отражения галактических космических лучей, при Полярное сияние называется так потому, что его можно наблюдать на полюсах. Однако подобные явления можно наблюдать и, например, в  низких широтах Японии, когда там возникают геомагнитные возмущения, называемые магнитными бурями. Издревле такое явление называлось красным свечением.

1

128

Облака, отражая солнечный свет, будут способствовать понижению температуры на Земле, а  проникающие мощные галактические космические лучи будут возбуждать магму, что, в  свою очередь, будет способствовать извержению вулканов1. В современной Японии, где и без того активная вулканическая деятельность, следует уделять особое внимание подобным явлениям. z Воздействие солнечного ветра на Землю Из-за солнечного ветра магнитосфера Земли вытягивается с неосвещенной стороны, и там образуется плазменный слой. Кроме Нейтральный того, вблизи Земли слой образуются в форме Плазменный гигантских небесных бобов слой области, где накапливаются Линии высокоэнергетические магнитного заряженные частицы, поля такие области называются радиационные пояса Ван Аллена. Границы магнитосферы Дуговая ударная волна

Солнечный ветер

Глава

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

ходящих извне. Если солнечная активность станет слабее, то галактические космические лучи смогут проникнуть в атмосферу Земли, и, ионизируя элементы атмосферы, будут создавать низкие облака.

Полярное сияние можно наблюдать и на Марсе, и на Венере. Считается, что если планета обладает атмосферой и магнитным полем, то полярные сияния будут на ней появляться.

1

Во время минимума Маундера (см. стр. 140) из-за снижения солнечной активности произошли извержения вулканов Лаки в Исландии и Асама в Японии. В результате эффекта зонта температура на Земле снизилась, что привело к  длительным неурожаям, и, говорят, это даже стало отдаленной причиной Французской революции.

129

Когда говорим «цвет неба», подразумеваем «голубой»! Почему небо голубое? Кажущийся прозрачным, солнечный свет на самом деле содержит семь цветов радуги1: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У каждого из этих семи цветов своя длина волны. Например, длина волны голубого цвета короткая, а длина волны красного цвета длинная. Чем ближе к фиолетовому, тем длина волны короче, а чем ближе к красному, тем длина волны длиннее. Если говорить упрощенно, то небо выглядит голубым, потому что из этих семи цветов именно голубой рассеивается в воздухе. Солнечный свет поступает на поверхность Земли, проходя через слой воздуха в атмосфере. В атмосфере присутствуют молекулы азота, кислорода, углекислого газа и т. д. И эти воздушные молекулы, в особенности микрочастицы азота, улавливают и  отталкивают в другом направлении (то есть рассеивают) только голубой свет. Поэтому голубой свет распределяется по всему небу, и оно выглядит голубым. Молекулы воздуха

Семь цветов в радуге выделил Ньютон, разложив солнечный свет через треугольную стеклянную призму.

Голубой свет

Красный свет

130

Радугу еще делят на три основных цвета: красный, желтый и голубой. Иногда к ним добавляют зеленый и делят на четыре цвета (Такаёси Канеко. Наука цвета. Изд-во «Иванами Сетен»).

1

Бывает, что Луна выглядит красной. Это может показаться зловещим предзнаменованием, но на самом деле причина этого явления в цвете света, как это было и с цветом неба. Красный цвет имеет длинную волну, и поэтому прямо идет к поверхности Земли. С другой стороны, голубой цвет легко рассеивается, и поэтому чем длиннее становится его путь в атмосфере, тем сложнее ему достичь земли и тем менее он видим нашими глазами. Хотя толщина атмосферного слоя практически везде одинакова, она будет различаться в зависимости от направления взгляда с Земли. Чем ближе направление взгляда к горизонту, тем толще слой атмосферы перед нашим взглядом. А значит, тем более толстый слой атмосферы должен преодолеть свет Солнца или Луны. Поэтому-то иногда Луна и кажется нам красной1.

То, что Луна иногда выглядит большой, – это оптическая иллюзия, поэтому этого не видно, например, на фотографии.

1

По этой же причине красным выглядит заходящее и восходящее Солнце.

6 Химия Земли и космоса. Чем больше узнаешь, тем интереснее становится!

Жутковато, не правда ли?! Почему Луна иногда выглядит красной?

Глава

Атмосфера

131

Книги издательства «ДМК ПРЕСС» можно купить оптом и в розницу в книготорговой компании «Галактика» (представляет интересы издательств «ДМК ПРЕСС», «СОЛОН ПРЕСС», «КТК Галактика»). Адрес: г. Москва, пр. Андропова, 38; тел.: (499) 782-38-89, электронная почта: [email protected]. При оформлении заказа следует указать адрес (полностью), по которому должны быть высланы книги; фамилию, имя и отчество получателя. Желательно также указать свой телефон и электронный адрес. Эти книги вы можете заказать и в интернет-магазине: www.a-planeta.ru.

Оомия Нобумицу

Химия вокруг нас

Главный редактор



Перевод Корректор Верстка Дизайн обложки

Мовчан Д. А.

[email protected]

Плеханова С. Л. Синяева Г. И. Чаннова А. А. Мовчан А. Г.

Формат 70×100 1/16. Гарнитура PT Serif. Печать офсетная. Усл. печ. л. 10,73. Тираж 200 экз. Веб-сайт издательства: www.dmkpress.com