В организм фтор попадает с водой: речная и морская вода содержит обычно около 1 миллиграмма фтора в литре. Питьевая вода должна содержать в литре 1–1,5 миллиграмма фтора. Избыток фтора разрушает зубы: они становятся черными и легко выпадают — это флюороз зубов.
При недостатке фтора в питьевой воде сопротивление эмали действию кислот уменьшается: начинается кариес — разрушение зубов. Особенно часто кариес поражает детей. Борются с этой болезнью добавлением соединений фтора в питьевую воду. В ГДР в Карл-Маркс-штадте сооружена самая большая в Европе установка для фторизации воды.
Поваренная соль необходима любому живому организму. В год человек съедает от 5 до 10 килограммов соли. Соль известна человеку с древнейших времен. Около ее залежей, как и у рек, рождались города. Их названья говорят сами за себя: Соликамск, Усолье, Сольвычегодск.
Соль служила валютой: еще во времена Ломоносова за пять плиток соли в Абиссинии можно было купить раба.
Повышение налогов на соль часто служило причиной народного восстания; вспомните знаменитый «соляной бунт» при царе Алексее Михайловиче.
Поваренная соль NaCl обеспечивает человеческий организм жизненно необходимым хлором. В среднем в теле человека содержится около 100 граммов хлора. Роль этого элемента в организме велика и многообразна: он регулятор водного обмена, кислотно-щелочного равновесия, осмотического давления крови и тканевых жидкостей.
Вся поверхность Земли, растительные и животные организмы «пройодированы», если можно так выразиться. Но есть места, где содержание йода в почве и воздухе аномально мало. Обычно это районы высокогорных областей, удаленных от моря, с континентальным климатом. Воздух здесь содержит йода в 250 раз меньше, чем, например, на Черноморском побережье.
С давних пор было замечено, что жители подобных областей поражены зобной болезнью, щитовидная железа у них сильно распухает. Дело в том, что обычно человеческий организм содержит около 25 миллиграммов йода. Половина этого количества концентрируется в щитовидной железе. Он входит в состав сложных органических соединений: тиреоглобулина, тироксина и трийодина.
Щитовидная железа — крохотная химическая фабрика в теле человека — вырабатывает особые вещества, необходимые для нормального развития человеческого организма. Взрослому человеку в день требуется около 0,05 миллиграмма йода. При резком уменьшении количества йода, поступающего в организм, работа щитовидной железы нарушается, что ведет к образованию зоба.
Еще в середине прошлого века во Франции начали применять для лечения зоба йодистый калий. В наше время эту болезнь лечат органическими соединениями, содержащими йод. Для профилактики зоба достаточно ввести 1 грамм йода в 100 тысяч литров водопроводной воды.
Во время первой мировой войны французы заменили овес и сено для лошадей промытыми и высушенными на воздухе водорослями: лошади легко выдерживали все трудности военного времени. Ученые заинтересовались этим фактом, ведь водоросли содержат большое количество йода.
Как же влияют добавки йода в микроколичествах на рост и жизнедеятельность растений и животных?
Профессор Н. Замфиреску в Румынии выращивал растения в почве, удобренной двумя-тремя граммами йодистого калия или натрия. Урожай ячменя, выращенного на этой почве, увеличился на 40 процентов, а содержание йода в нем возросло в 10–40 раз против обычного.
Каждый день к рациону кур исследователи добавляли по пять йодированных зерен кукурузы. Яйценоскость кур увеличилась на 60 процентов, они неслись даже зимой. Когда добавили 50 граммов йодированного сена в рацион коз, то содержание жира в их молоке увеличилось на 30 процентов, йод еще полон загадок, изучение его роли в животном и растительном организмах только началось, оно сулит много важных открытий.
Немаловажную роль в человеческом организме играет бром.
В быту «бромом» называют обычно его соединения, как неорганические, так и органические. Бромиды успокаивают нервную систему, усиливая процессы торможения коры головного мозга.
В человеческом организме наиболее богат бромом гипофиз; весь бром находится в нем в виде органического высокомолекулярного соединения. Гипофиз и выделяет бромгормон, имеющий большое значение в регуляции процессов возбуждения и торможения.
Может ли вода гореть? Вопрос странный с первого взгляда. Ведь общеизвестно, что вода — продукт горения, ею обычно тушат огонь. И все-таки если на поверхность воды направить струю фтора, то жидкость загорается бледно-фиолетовым пламенем. Вот реакция ее горения:
2H2O + 2F2 = 4HF + O2.
Фтор настолько активен, что вытесняет кислород из воды.
Этот галоген разрушает все материалы, за исключением собственных соединений и некоторых металлов, которые при взаимодействии с ним покрываются защитной пленкой фторида.
С кислородом, азотом и инертными газами он непосредственно не соединяется.
Жидкий фтор перевозят в сосуде с «рубашкой», наполненной жидким азотом.
Вам, наверное, не раз приходилось видеть на стекле замысловатые рисунки, копирующие проделки деда-мороза; обычно такими стеклами бывают застеклены двери внутри помещения, например в общежитии здания МГУ на Ленинских горах. Эти матовые изображения нельзя смыть никакими растворителями и кислотами, за исключением фтористоводородной кислоты, с помощью которой их и делают. Для этого на стекло наносят тонкий слой парафина, художник вырисовывает на нем рисунок. Затем на поверхность стекла действуют смесью плавикового шпата с серной кислотой:
CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HF.
Образующийся фтористый водород взаимодействует с кремнием стекла:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О.
Вода и четырехфтористый кремний улетучиваются: образуется шершавая матовая поверхность.
Безводный фтористый водород — летучая жидкость, кипящая при температуре +19,6 °C. На практике его получают разложением плавикового шпата серной кислотой. Фтористый водород — сильнейшее обезвоживающее средство. Ни одно химическое средство не способно осушить его. Раствор его в воде называется фтористоводородной или плавиковой кислотой. Она употребляется для травления стекла, для удаления песка с металлического литья, в качестве катализатора в органическом синтезе.
Когда говорят о чудесах химии, создающей вещества, не тонущие в воде и не боящиеся огня, то сразу вспоминается тефлон — политетрафторэтилен:
Это вещество стойко к действию «царской водки», расплавленных щелочей, нагревания до 300 °C. Только металлический натрий при высокой температуре его разрушает.
Тефлон — органическое соединение фтора — фторуглерод. Слово «фторуглерод» вошло в словарь химиков всего 15–20 лет назад. Этих веществ в природе нет, их создали в лаборатории, заменив в углеводородах водород на фтор.
Фторуглероды — строительный материал будущего.
Они очень инертны, бактерии и насекомые не могут употреблять их в пищу в отличие от углеводородов. Из фторуглеродов производят смазочные вещества, пластмассы, каучуки, масла и растворители.
Представим себе, что перед нами автомобиль будущего. Шины его во много раз прочнее обычных — им не страшна любая дорога, они изготовлены из фторопластов, фтористых пластмасс. Сиденье автомобиля не горит и не пылится — оно обито огнеупорной и пылеотталкивающей тканью из фторуглеродов. Фторуглеродные смазочные масла не нуждаются в замене.
Если автомобиль и загорится, что невероятно — ведь его кузов сделан из фторопластов, — огонь можно легко загасить охлаждающей жидкостью из радиатора, она является фреоном, жидким хлорфторуглеродом.
Фреоны — это соединения, содержащие, кроме фтора и углерода, хлор, иногда и водород. Фреоны употребляются в мощных холодильных установках в качестве рабочего вещества; они обладают низкой температурой кипения, как и аммиак. CCl2F2 кипит при –30 °C.
Почему фторуглероды так устойчивы?
Во-первых, атомы водорода, расположенные вокруг атомов углерода малы; они не прикрывают полностью атомы углерода и связи между ними. Атомы же фтора обладают оптимальной величиной, они полностью перекрывают углеродный скелет и образуют устойчивую конфигурацию, защищая силовое поле атомов углерода, их связи и их самих от внешних влияний. К тому же сама связь С—F очень устойчива. Чтобы ее разорвать, требуется энергия в 107 больших калорий, для связи С—H всего 87,3 большой калории.
По образному выражению одного ученого, «фторуглероды обладают как бы алмазным сердцем и шкурой носорога».
Сейчас химия фтора и его органических соединений — одна из наиболее бурно развивающихся областей химии.
В один из дней первой мировой войны к окопам французских солдат со стороны немецких позиций подползло тяжелое серо-белое облако. Оно плотно прилегало к земле, входило в любые щели, врывалось в легкие людей. Люди падали, хрипя, бились в агонии и умирали от удушья с кровавой пеной у рта. Это был хлор.
Немцы тайно подвезли тысячи баллонов с жидким хлором и установили их на передовых позициях, во время попутного ветра открыли вентили, и облака хлора поползли к окопам противника. Так хлор стал первым боевым отравляющим веществом.
В промышленности хлор получают исключительно электролизом раствора поваренной соли:
2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Н2 + Cl2.
Хлор выделяется на аноде. Сухой хлор не действует на железо, и его можно транспортировать в железных баллонах. Удобность перевозки хлора была, по-видимому, основным поводом для употребления его в качестве отравляющего вещества.
Хлор первым из газов был превращен в жидкость. Взаимное притяжение между молекулами хлора гораздо сильнее, чем у других газов, известных во времена Фарадея. Фарадей сблизил молекулы хлора давлением, уменьшив скорость их движения понижением температуры. Жидкий хлор — это зеленоватая маслянистая жидкость.