Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу Ильи Леенсона «Четыре дамы и молодой человек в вакууме. Нестандартные задачи обо всем на свете».
Замечательный химик и популяризатор науки Илья Леенсон был автором не только множества книг, но и уникальных задач, большую часть которых он придумывал для Московского интеллектуального марафона и Летних лингвистических школ. Теперь они объединены в сборник, и у читателя есть возможность познакомиться с этими остроумными и нестандартными задачами из самых разных областей знания — от астрономии до химии, от русской поэзии до скандинавской мифологии, от криптографии до нумизматики. Иногда для их решения достаточно находчивости и здравого смысла, но часто требуются эрудиция или короткие математические выкладки. Ответы же, по сути дела, представляют собой увлекательные научно-популярные заметки, которые опровергают стереотип о строгом делении наук на гуманитарные и естественные. Книга будет интересна и школьникам, и всем, кто захочет испытать свой интеллект и расширить кругозор.
Предлагаем ознакомиться с некоторыми задачами раздела «Вещества и организмы», а потом прочитать ответы и комментарии к ним. Некоторые из них сопровождаются «перлами» — цитатами из работ школьников.
Есть еще порох в пороховницах
Для изготовления черного пороха нужна селитра — нитрат калия (KNO3). Откуда ее брали московские оружейники во времена Ивана Грозного? Выберите правильный ответ и аргументируйте свой выбор:
а) получали из навоза и других органических отбросов;
б) получали из азота воздуха, превращая его в аммиак и далее — в азотную кислоту, из которой получали селитру;
в) добывали из природных залежей на Урале;
г) импортировали из Чили, где были огромные запасы природной селитры.
Свободу катионам калия!
Когда растение пускает корни в глинистую почву, оно извлекает необходимый ему калий (ионы калия внедрены в кристаллическую решетку алюмосиликатов — минералов, из которых состоит глина), «впрыскивая» понемногу в глину ионы водорода, которые занимают в алюмосиликате те места, где раньше были ионы калия, и как бы «вымывая» их. Освободившиеся из плена катионы K+ усваиваются корнями.
1. Почему при неграмотном массированном введении нитрата калия в глинистые почвы растения погибают? (Подсказка: избыток калия не убивает растения.)
2. Оценку качества калийных удобрений по традиции принято выражать процентным содержанием не калия, а его условного оксида К2О. Может ли какое-либо вещество «содержать» больше 100 % К2О? Свой ответ аргументируйте, а если необходимо, приведите примеры.
3. В природе калий встречается в виде минералов сильвина (KCl), сильвинита (KCl · NaCl) и др. Определите качество (т. е. содержание К2О) чистого минерала сильвина как калийного удобрения.
4. В калиевой руде содержится сильвин (KCl) и пустая порода; по данным анализа, в руде 15,3 % К2О. Сколько пустой породы в этой руде?
Указание: атомную массу калия принять равной 39, хлора — 35,5.
Отчего страдают ананасы на Гавайях?
На Гавайях есть плоскогорье, где почва окрашена в красный цвет, так как содержит более 20 % оксида железа (Fe2O3). Тем не менее ананасы, растущие на этом плоскогорье, страдают от недостатка железа. Страдать по этой причине могут и люди. При железодефицитной анемии (малокровии) снижается количество гемоглобина в крови. Для лечения назначают внутрь препараты железа. В старом справочнике по лекарственным средствам написано, что взрослым назначают порошок железа восстановленного — по 1 г на прием или таблетки «Бло», содержащие 0,03 г железного купороса. Более эффективны современные препараты, например «Ферроплекс», одна таблетка которого содержит 0,05 г железного купороса и 0,03 г аскорбиновой кислоты.
1. Почему ананасы на Гавайях при избытке железа в почве страдают от его недостатка? Как этот недостаток можно восполнить?
2. Почему распространенный минерал железа — красный железняк (Fe2O3) — называется также гематитом? Какие слова в русском языке имеют тот же корень?
3. Какую функцию в крови человека играет железо?
4. Что такое «восстановленное железо» и как его можно получить? Приведите уравнение реакции.
5. Почему восстановленное железо при приеме внутрь усваивается организмом? (Если можете, приведите уравнение химической реакции.)
6. Что такое железный купорос? Как вы думаете, для чего к нему в современном лекарственном препарате добавляют аскорбиновую кислоту (в некоторых препаратах ее заменяют глюкозой, лимонной кислотой, сорбитом)?
7. После ответа на предыдущие вопросы вам несложно будет ответить на этот: в какой форме железо лучше усваивается растениями и животными — в виде двух- или трехвалентного?
«А в разинутый рот он вливает азот…»
Великий немецкий химик Юстус Либих (1803–1873) впервые указал, что для повышения урожайности необходимо возвращать почве минеральные вещества. Эти воззрения он изложил в книге «Химия в применении к земледелию и физиологии растений» (1840).
Изначально Либих полагал, что минеральные удобрения должны содержать только калий и фосфор, тогда как третий необходимый компонент, азот, растения сами могут усваивать из воздуха.
Вероятно, это суждение было основано на опытах известного французского агрохимика Жана Батиста Буссенго (1802–1887). В 1838 году Буссенго посадил семена некоторых растений в почву, не содержащую азотных удобрений, а через три месяца срезал ростки. С помощью химического анализа он определил содержание азота как в семенах, использовавшихся для посадки, так и в выросших из них растениях. Результаты были такими:
Растение
Пшеница
Овес
Горох
Клевер
Масса азота в семени, мг
57
59
114
47
Масса азота в растении, мг
60
53
156
100
Отсюда был сделан вывод о том, что растения в принципе могут усваивать азот прямо из воздуха. Однако вскоре выяснилось, что это не так.
1. Объясните, в чем, так сказать, корни этой ошибки.
2. Если, как мы сейчас знаем, растения не усваивают азот, то почему масса азота почти во всех растениях оказалась выше, чем в семенах, из которых их выращивали? Из ответа на предыдущий вопрос вы уже понимаете, почему так произошло с клевером и горохом. А как можно объяснить небольшой рост в случае пшеницы?
3. Как могли в середине XIX века определить содержание азота в органических веществах?
Ответы
Есть еще порох в пороховницах
Правильный ответ — а. В течение многих веков практически единственным источником связанного азота была селитра (лат. sal и nitrum, дословно — «щелочная соль»). С древних времен была известна только индийская селитра — нитрат калия KNO3. Этот редкий минерал привозили из Индии, так как в Европе природных источников селитры не было. Индийскую селитру использовали исключительно для производства пороха. Пороха с каждым столетием требовалось всё больше, а привозной селитры не хватало, и была она очень дорога.
Со временем селитру научились получать в специальных «селитряницах» из различных органических остатков, которые содержат азот. Довольно много азота, например, в белках. Если органические остатки высушить и просто сжечь, содержащийся в них азот в основном окислится до газообразного азота N2. Но если остатки подвергаются гниению, то под действием нитрифицирующих бактерий азот переходит в нитраты, которые и выщелачивали в старину в специальных кучах — буртах, а селитру называли буртовой. Делали это так. Смешивали различные органические отходы — навоз, внутренности животных, ил, болотную жижу и т. п. Туда же добавляли мусор, известь, золу. Эту жуткую смесь засыпали в ямы или делали из нее кучи и обильно поливали мочой или навозной жижей. Можно представить себе, какой запах шел от этого производства! За счет процессов разложения в течение одного-двух лет из 6 кг «селитряной земли» получали 1 кг селитры, которую очищали от примесей. Больше всего селитры получали во Франции: правительство щедро награждало тех, кто занимался этим неприятным производством.
Перлы :))
Русский человек при желании и навоз в порох превратит — зачем ему Чили?
(В связи с этой фразой школьника вспоминается анекдот: что ни пытаемся делать на заводе, получается автомат Калашникова, а также серьезная, даже слишком, песня, которая при Сталине исполнялась очень часто, а при Хрущеве оказалась под запретом: «Не нужен нам берег турецкий, и Африка нам не нужна».)
Свободу катионам калия!
1. При растворении в почвенных водах нитрата калия большие количества ионов K+ снова вытесняют ионы водорода из алюмосиликатов; в результате почва фактически пропитывается слабым раствором азотной кислоты. Сильное подкисление губит растения.
2. В любом веществе, в состав которого входит калий, оксида К2О «содержится» больше, чем чистого калия, в (2 ∙ 39 + 16)/2 ∙ 39 ≈ 1,205 раза (т. е. по гипотетической реакции, например 2KCl + 1/2 O2 → K2O + Cl2, мы получили бы из KCl оксида в 1,205 раза больше, чем чистого калия — по реакции 2KCl → 2K + Cl2). Очевидно, что в химически чистом К2О его содержание равно 100 %; в гидриде калия КН содержится 97,5 % калия, или 117,5 % «в расчете на К2О»; в нитриде K3N — 107,6 %, в имиде K2NH — 101,1 %; наконец, в чистом калии «содержится» 120,5 % К2О. Конечно, эти вещества в качестве калийных удобрений не применяются.
3. Чистый сильвин (KCl) содержит (39/74,5) ∙ 100 = 52,3 % калия, т. е. 52,3 ∙ 1,205 = 63 % «в расчете на К2О».
4. В руде содержится (15,3/1,205) ∙ 100 = 12,7 % калия, что составляет (12,7/52,3) ∙ 100 = 24,3 % чистого сильвина. Остальное (75,7 %) — пустая порода.
Можно рассуждать и так: в руде «содержится» 15,3 % К2О, что составляет (15,3/63) ∙ 100 = 24,3 % чистого сильвина.
Отчего страдают ананасы на Гавайях?
1. Оксид железа(III) практически нерастворим в воде (а после сильного прокаливания — и в кислотах) и потому не может поступать через корни в растения. Для восполнения недостатка железа у растений этот элемент надо вводить в усвояемой, т. е. растворимой форме — лучше в виде соединений Fe(II). Но и растворимые соединения Fe(III) могут легко восстанавливаться.
Некоторые растения могут усваивать и малорастворимые соединения металлов: их корни выделяют в почву природные вещества-комплексообразователи, помогающие перевести атомы металла в растворимую форму. Например, при недостатке в ячмене и кукурузе железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве минералы железа. Доступность для растений связанных в почве металлов повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток редуктазы — ферменты, роль которых — восстановление определенных соединений. Корни фасоли и других двудольных могут также при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние.
2. Некоторые разновидности гематита имеют кроваво-красный цвет, отсюда его название (др.-греч. αἷμα — «кровь»). Слова с тем же корнем — гематоген (лекарственное средство), гематокрит (медицинский прибор), гематоксилин (краситель), гематология (раздел медицины, наука о крови), гематома (кровяная опухоль), гематурия (выделение крови с мочой), гемоглобин (красный пигмент крови), геморрой (дословно — кровотечение), гемолиз (заболевание с разрушением крови), гемофилия (наследственное заболевание, повышенная кровоточивость), гемотерапия (лечение кровью), гемодиализ (очистка крови), гемопоэз (процесс кроветворения), геморрагический (сопровождающийся кровоизлиянием), гемостаз (остановка кровотечения) и т. д.
3. Железо (в степени окисления +2) входит в состав гемоглобина крови — переносчика кислорода в организме от легких ко всем тканям и органам.
4. Восстановленным называется тонкий порошок железа, получаемый восстановлением его соединений, например гидроксида: 2Fe(OH)3 + 3H2 → 2Fe + 6H2O. Реакцию ведут в токе водорода, постепенно повышая температуру до 700 °С. При этом сначала гидроксид превращается в оксид Fe2O3, который при избытке водорода восстанавливается до металла.
5. Тонкий порошок железа растворяется в соляной кислоте, содержащейся в желудочном соке: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2.
6. Железный купорос — это кристаллогидрат железа(II), FeSO4 ·7H2O.
Многие органические вещества — хорошие восстановители (особенно глюкоза и аскорбиновая кислота), их добавляют к железному купоросу, чтобы предотвратить окисление железа(II) до железа(III) кислородом воздуха.
7. Лучше усваивается двухвалентное железо.
Перлы :))
В крови человека много Fe2O3, поэтому она красная.
Деревья надо поливать кислотой: она растворит Fe2O3, а вода в кислоте восстановит Fe3+ до Fe2+.
«А в разинутый рот он вливает азот…»
1. Поскольку масса азота в клевере и горохе заметно увеличилась, а в почве азота не было, был сделан вывод (справедливый), что этот азот попал в растения из воздуха. Ошибка же Либиха заключалась в том, что он полагал, что это присуще всем растениям и потому азотные удобрения им не нужны. Однако впоследствии выяснили, что сами растения не могут усваивать азот из воздуха. Это могут делать только клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых и улавливающие атмосферный азот. Спустя некоторое время Либих исправил ошибку и указал на необходимость азотной подкормки большинства растений.
2. Буссенго, конечно, не мог проанализировать содержание азота в том семени, которое он посадил. Приведенные числа — усредненные данные анализов нескольких однотипных семян, отсюда — небольшое расхождение между приведенными в таблице данными по содержанию азота в семени и в растении у пшеницы, а также и у овса. Расхождение же у гороха и клевера, как уже было сказано, связано не с ошибкой измерений, а с действительно происходившим усвоением азота из воздуха — правда, при помощи бактерий.
3. Содержание азота в органических веществах первым пытался определить французский химик и физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850). Он сжигал образец и измерял объем газа, остающегося после удаления Н2О и СО2. Аналогичный метод применял и Либих; воду он поглощал с помощью Са(ОН)2, а углекислый газ — с помощью КОН. Затем был разработан более точный метод: органическое вещество разлагали так, чтобы азот выделялся в виде аммиака, который затем анализировали, поглощая его раствором соляной кислоты.
Источник:
