Salmiak

Dwa wspomnienia i trochę historii.

Na pierwszym roku studiów jednym z przedmiotów było laboratorium chemii nieorganicznej. Robiliśmy tam różne podstawowe doświadczenia, jak strącanie osadów, spalanie magnezu i sprawdzanie czy na pewno na zimno nie reaguje z wodą (reagował) reakcje redoks itp. Jednym z nich było sprawdzenie reakcji kwasu solnego i amoniaku.
Oba roztwory umieściłem w małych zleweczkach i nakryłem zlewką dużą. Po chwili z jednej z nich zaczął się unosić biały dym:

który z czasem wypełnił całą zlewkę:

Dym wychodził zapewne ze zleweczki z amoniakiem, ale nie jestem pewien. Skąd wziął się ten dym?
Zarówno roztwór amoniaku jak i kwas solny chętnie uwalniają opary lotnych związków w nich rozpuszczonych - a więc gazowy amoniak i gazowy chlorowodór, te reagują ze sobą dając drobne cząstki stałej soli - chlorku amonu nazywanego salmiakiem:

 NH ₃ + HCl → NH ₄ Cl

Cząstki są tak drobne że tworzą dym podobny do mgły. Dawniej zresztą mieszanie par tych dwóch związków było sposobem na wytworzenie sztucznego dymu, z czego jednak zrezygnowano z powodu działania drażniącego oczy.

Salmiak jest jedną z najstarszych znanych soli nieorganicznych, pierwszą solą amoniakalną i jednym z pierwszych związków wytwarzanych sztucznie. Występuje naturalnie ale w dość specyficznych warunkach, łatwo bowiem rozkłada się z wydzieleniem lotnego amoniaku i dobrze rozpuszcza w wodzie; zazwyczaj spotyka się go w pobliżu otworów którymi ulatują gorące gazy wulkaniczne, ale też w miejscach wylotu spalin z podziemnych pożarów węgla i torfu czy wewnętrznych pożarów hałd kopalnianych. W mniejszych ilościach powstaje w pobliżu złóż guana powstającego z ptasich odchodów.
Pierwsze informacje na jego temat pochodzą z Egiptu a konkretnie z oazy Siwa, gdzie w starożytności stała znana i często odwiedzana świątynia Ammona. Greccy pisarze opisują iż w pobliżu świątyni, w miejscu gdzie wielbłądy licznych pielgrzymów oddawały mocz w zasoloną ziemię, krystalizowała biała sól o właściwościach ściągających, nazywana Solą Ammona czyli sal ammonicum. Popularna nazwa salmiak jest więc skrótem. Był używany w medycynie jako środek moczopędny, odkażający i przeczyszczający, zewnętrznie jako składnik maści. Alchemicy widzieli w nim pierwiastek lotności, bowiem przy ogrzewaniu sublimował zaś opary po ochłodzeniu ponownie zamieniały się w stałe cząstki w formie już tu pokazanego dymu. W zasadzie nie jest to typowa sublimacja - wprawdzie w parach występuje gazowy związek, ale składają się one głównie ze związków składowych, a więc amoniaku i chlorowodoru, po ochłodzeniu natychmiast reagujących ze sobą.

Otrzymywano na dużą skalę już na początku średniowiecza z popiołu po spaleniu suszonych odchodów krowy, lub wykrystalizowując z ługu mieszaniny soli i starej uryny. W mieszaninie z ałunem był stosowany w zaprawach farbiarskich. Mniej więcej w XV wieku pokazano, że po zmieszaniu z wapnem wydziela ostre opary, łatwo rozpuszczające się w wodzie. W XVIII wieku nauczono się go otrzymywać z produktów suchej destylacji szczątków zwierzęcych, takich jak rogi, kopyta czy skóry, łapiąc opary w wodzie i zakwaszając ją kwasem solnym.
Sam roztwór przed zakwaszeniem, będący w zasadzie wodą amoniakalną, był używany jako odplamiacz. Z suchych oparów krystalizował w tym procesie węglan amonu, zwany z tego powodu "solą rogu jeleniego" i używany jako pierwszy spulchniacz do pieczywa (dziś jest to "amoniak do ciast") oraz składnik soli trzeźwiących.
Współcześnie chlorek amonu jest używany w metaloplastyce jako składnik pasty oczyszczającej powierzchnię metalu przed lutowaniem, lub metalową formę przed odlewem, zwykle ma postać małych kostek lub stanowi warstewkę pokrywającą laseczkę lutu cynowego. Jego użycie opiera się na fakcie, że podczas rozkładu w wysokiej temperaturze reaguje z tlenkami na powierzchni metalu, przeprowadzając je w stosunkowo dobrze lotne w tych temperaturach chlorki, dzięki temu lutowane powierzchnie są czyste i stop będzie dobrze do nich przylegał.
W mniejszym stopniu używa się go jako dodatku spożywczego (jako E510), głównie do ciast i chleba, ułatwia bowiem wyrośnięcie ciasta drożdżowego. W krajach skandynawskich popularnym smakołykiem są cukierki Salmiakki, będące zagęszczonym wyciągiem z korzenia lukrecji zmieszanym z salmiakiem, który przełamuje intensywnie słodki smak lekko ostrym, słonawym posmakiem, wywołującym przejściowe wrażenie utraty smaku. Nie miałem okazji próbować więc dokładniej nie opiszę. Związek bywa też składnikiem syropów na kaszel, jest bowiem wykrztuśny.

Reakcja pomiędzy oparami prowadząca do powstania salmiaku staje się też przyczyną często spotykanego w laboratoriach zjawiska powstawania białego osadu na szkle. Butelki ze stężonymi kwasami i zasadami często są przechowywane z przeszklonym dygestorium z mechaniczną wentylacją zasysającą opary na zewnątrz pomieszczenia. Nocą jednak wyciąg zazwyczaj jest wyłączany, toteż z butelek wody amoniakalnej i kwasu solnego mogą przez drobne nieszczelności ulatniać się opary. Po pewnym czasie wszystkie szyby dygestorium pokryte są białym, mączystym osadem.
O tym jak dalece zajść może ten proces przekonałem się niedawno, gdy szukając opakowania żelu krzemionkowego otworzyłem jedną z szafek, znajdując tak takie oto cudo:

Naczynie z wodą amoniakalną obrosło porowatą masą białych kryształków, przypominającą szron. Ponieważ w tej samej szafce stała butelka ze stężonym kwasem solnym łatwo się było domyśleć przebiegu procesu - w dawno nieotwieranej szafce na butelce amoniaku powstawał salmiak, przez który jednak nadal przesączały się opary z wnętrza naczynia, dlatego małe kryształki mogły powoli narastać tworząc skupiska podobne do białego mchu.

Odstawiłem ją z powrotem. Niech rośnie.

Ostatnio w laboratorium (34.)

Na jednej z pierwszych pracowni po wakacjach, miałem się zająć oczyszczaniem substancji otrzymanej jeszcze przed nimi, bowiem pierwotnie kremowa bromofenylotriazyna niepokojąco zbrązowiała przez te trzy miesiące. Oczywiście aby oczyścić, musiałem nałożyć ją na kolumnę chromatograficzną, a aby zrobić kolumnę musiałem nasączyć proszek suchej krzemionki odpowiednim rozpuszczalnikiem, aby otrzymać żel. W trakcie tego procesu sfilmowałem interesujące zjawisko:

 

Z kilku punktów na powierzchni proszku strzeliły "wulkany pyłowe" nie większe niż kilka centymetrów. Jak łatwo domyśleć się wywołało je powietrze zawarte między luźnymi ziarnami krzemionki, wypierane przez szybko wchłaniany rozpuszczalnik. Najwyraźniej był wchłaniany na tyle szybko, że powietrze w porach nabrało ciśnienia i wypływając na powierzchnię porywało część proszku. Ciekawe.

Skądinąd przyczynia się do tego mała gęstość i niska lepkość chlorku metylenu użytego w tym przypadku, z heksanem czegoś takiego nie obserwowałem.

Ciekawi mnie czy coś podobnego może występować na pustyniach gdy pylisty piasek podsiąka wodą spływającą jakimś wąwozem od odległej ulewy Niewykluczone że tak jest, a tylko nie chciało się nikomu przyglądać.

Kiedyś w laboratorium (33.)

Któregoś razu, chyba na praktykach, bawiłem się Spekolem.
Jest to stary acz poczciwy sprzęt do spektrofotometrii, badający absorbancję (odwrotność przepuszczalności) światła o zadanej częstotliwości fali. Otrzymanie wiązki o odpowiedniej fali odbywa się dosyć prosto - źródło światła wewnątrz wytwarza światło białe, rozszczepiane siatką dyfrakcyjną na pełne widmo. Przy pomocy pokrętła obracamy siatkę powodując, że do wąskiej szczeliny na którą nasadzony jest układ w który wkładamy próbki wpada światło jednej określonej barwy, a więc o konkretnej długości fali. Taki układ ma oczywiście pewne ograniczenia, ale sam sprzęt mimo wszystko działa dosyć dobrze i nadal można spotkać się w nim w wielu laboratoriach.

Po zdjęciu przykręconej części na próbki odsłania się wspomniana szczelina. I otóż korzystając kiedyś z okazji zrobiłem kilka zdjęć pokazujących światło o konkretnych długościach fali:

Zdjęcia nie zupełnie oddają rzeczywiste odcienie, z powodu ograniczeń matrycy. Przy końcu skali za fioletem dało się jeszcze zauważyć słaby fioletowy odcień, zauważalny gołym okiem ale już nie przez okulary.

Cebulowe łzy

O tym dlaczego czosnek śmierdzi a cebula skłania nas do płaczu.

Cebula jadalna to gatunek wieloletniej rośliny, należący formalnie do rodzaju czosnek w ramach szerszej rodziny amarylkowatych, wobec czego jej krewniakiem jest też narcyz. Stanowi składnik ludzkiej diety od kilku tysięcy lat - cebulowe łuski i ślady zwęglonych w ognisku cebulek znane są aż z 5 tysiąclecia przed naszą erą. Były też powszechnie spożywane w starożytnym Egipcie, o czym często wspominają zachowane inskrypcje, stanowiąc obok chleba i piwo podstawę diety klas niższych. Była czczona prawdopodobnie jako jeden z symboli odrodzenia, na co wskazują jej znaleziska w grobowcach i obecność na malowidłach grobowych. Ślady cebulowych łusek znaleziono w oczodołach mumii Ramzesa IV.
W kontekście Egiptu wspomina o niej także Biblia: w Księdze Liczb w rozdziale 11 Izraelici wędrujący przez pustynię zaczynają narzekać na brak dobrego jedzenia, wspominając że w Egipcie mieli pod dostatkiem ryb, ogórków, melonów, cebuli, czosnku i porów, co wskazywałoby na całkiem przyzwoitą dietę jak na przymusowych robotników.

Uprawa cebuli na rysunkach z "ptasiego grobowca" z nekropolii w Sakkarze

Warzywa te znane były też w starożytnej Grecji i Rzymie. W języku łacińskim zwano ją cepa lub zdrobniale cepula, co wpłynęło zarówno na nazwę polską jak i niemiecką (Zwiebel od staroniemieckiego Zwibolle). Cebula uważana była za środek wzmacniający, stąd też zjadali ją gladiatorzy dbający o formę, czosnek miał chronić przed chorobami i złymi duchami, przy czym zwykle był dla tych zastosowań nie jedzony tylko noszony jak amulet; z kolei por był uważany za afrodyzjak. Cesarz Neron zajadał się porem w ogromnych ilościach, uważając go za środek poprawiający jakość głosu, stąd też popularny przydomek "porrophagos" - porożerca.
Czosnek zdobył sobie dużą popularność wśród ludów semickich, najbardziej znani byli z tego Żydzi, regularnie jedzący czosnek w szabat. W późniejszych czasach doprowadziło to do wykształcenia stereotypu Żyda-śmierdziela* Co ciekawe dokładnie przeciwny stosunek mieli do niego Arabowie - w kilku miejscach Koranu wspomniane jest, że osoby jedzące czosnek nie powinny zbliżać się do meczetu lub grup modlących się, i czekać w domu aż przestaną pachnieć. Ostatecznie jednak w Islamie nie jest to warzywo zakazane.

Wszystkie rośliny z tego rodzaju charakteryzuje silny, ostry zapach i smak, spowodowany obecnością wtkankach aktywnego związku siarkoorganicznego Alliiny ulegającego dalszym przemianom podczas krojenia. A przemiany te są nieco bardziej skomplikowane, niż to się nam dotychczas wydawało.
Alliina formalnie rzecz biorąc jest pochodną aminokwasu Cysteiny, w której końcowa siarka została utleniona do sulfotlenku i zalkilowana grupą allilową:

W sulfotlenkach siarka jest na czwartym stopniu utlenienia i formalnie tworzy z tlenem wiązanie podwójne będąc analogiem ketonów, jest ono jednak tak silnie spolaryzowane, że często używa się zapisu jonowego z ładunkiem dodatnim na siarce i ujemnym na tlenie. Przy takiej strukturze jedna z par elektronowych zostaje wolna a jej odpychanie nadaje pozostałym wiązaniom formę piramidy trygonalnej. W efekcie pojawia się asymetria umożliwiająca powstanie dwóch form chiralnych, tak jak to jest w przypadku tetraedrycznym węglem. Alliina ma w związku z tym dwa centra stereogeniczne - na siarce (S) i na węglu (R) w części pochodzącej od aminokwasu.
W chwili wyodrębnienia był to pierwszy znany naturalny związek z takim układem centrów. W Cebuli ponadto występuje izoalliina, z podwójnym wiązaniem przesuniętym o jedno miejsce. Oba związki są bezwonne. Gdy zaczynami kroić, żuć czy rozgniatać cebulki, sytuacja ulega zmianie - ze zniszczonych komórek uwolnione zostają enzymy, głównie allinaza.

Od tego momentu zaczyna się kaskada reakcji: alliinaza hydrolizuje alliinę, dzieląc wiązanie między siarką a węglem części aminokwasowej. Z części siarkowej powstaje kwas 2-propenosulfonowy, a z aminokwasowej dehydroalaniny. Ta ostatnia spontanicznie rozkłada się do amoniaku i kwasu pirogronowego.

Kwas sulfonowy jest cząsteczką nietrwałą, stąd też bardo chętnie reaguje sam ze sobą. Dwie cząsteczki kondensują, tworząc allicynę, będącą głównym składnikiem zapachowym czosnku.

Cebula zawiera zarówno alliinę jak i izoalliinę, z których po reakcji z alliinazą powstaje kwas 2-propenosulfonowy i 1-propenosulfonowy, z ich kondensacji powstaje allicyna, choć raczej w ilościach śladowych, i związki polisiarkowe. A skąd łzy?
Jak dawniej sądzono, przyczyną są kwasy sulfonowe uwalniane do powietrza przed kondensacją, które rozpuszczając się w łzach zakwaszały je wywołując łzawienie. Jednak w 2002 roku odkryto inny mechanizm[1]. Powstający specyficznie w cebuli kwas 1-propenosulfonowy zostaje przekształcony przez kolejny enzym, nazwany syntazą czynnika łzawiącego, czyli w skrócie LFS. Powoduje on przesunięcie jednego wodoru i wiązania podwójnego, tworząc związek z wiązaniem podwójnym między siarką a węglem - propanotial-S-tlenek. Formalnie nadal jest on S-tlenkiem ale bez właściwości kwasowych. Możliwe są dwa położenia tlenu, stąd dwa izomery syn i anti, z przewagą tej pierwszej.
Związek ten jest bardzo łatwo lotny i szybko przedostaje się do powietrza, rozpuszcza w łzach i tutaj podrażnia oko, ale nie poprzez zakwaszanie lecz działanie na receptory bólu. Jest zatem silnym lakrymatorem, którego wydzielanie przez roślinę jest strategią mającą odstraszyć roślinożercę. Właśnie za to odkrycie, ostatecznie tłumaczące sprawę, przyznano tegorocznego Ig-Nobla choć samo w sobie nie jest specjalnie zabawne.

Tak rozpoczęty łańcuch reakcji nie kończy się.  Łzawiący S-tlenek jest cząsteczką aktywną, chętnie więc, zwłaszcza podczas smażenia i gotowania, łączy się sam ze sobą tworząc dipropylodisulfid z mostkiem siarczkowym. Formalnie rzecz biorąc jest to uwodorniona allicyna. Wyjściowy związek ulega też hydrolizie do aldehydu propionowego o ostrym ale raczej owocowym zapachu, ale też kondensacji do związków wielosiarczkowych, nawet cyklicznych, o zapachach ostrych i nieprzyjemnych.

W przypadku czosnku końcowa allicyna jest głównym związkiem o specyficznym zapachu, ale nie jedynym. W wyniku jej rozkładu czy to w organizmie czy podczas gotowania, poprzez redukcję S-tlenek zamienia się w beztlenowy dwusiarczek dwuallilu (DADS), o zapachu jeszcze bardziej nieprzyjemnym. Jest to związek łatwo lotny. Powstając w organizmie podczas trawienia przedostaje się do krwioobiegu, stamtąd w płucach a wreszcie w naszym oddechu wpływając na zapach z ust. Inną pochodną jest dwusiarczek alliowo propylowy, decydujący z kolei o ostrym smaku cebuli. Oba związki są łatwo lotne i odparowują podczas gotowania, stąd słodkawy smak przyrządzonego warzywa. Są też alergenami, stąd możliwość uczulenia na czosnek.
 Możliwe są też pochodne z większą ilością atomów siarki. Gdy czosnek jest macerowany w tłuszczu, czynnik łzawiący łączy się z allicyną tworząc ajoen. Tak więc z jednej czy dwóch cząsteczek może powstać kilkadziesiąt podobnych związków, w tym kilka o działaniu łzawiącym. Ponieważ czosnek nie zawiera enzymu LFS przy jego krojeniu już tak nie płaczemy.

A co zrobić, aby nie płakać przy cebuli? Zbyt dobrych rad nie ma, enzymy przestają działać przy podgrzaniu do 60 stopni, więc być może blanszowanie w wodzie o temperaturze 70-80 stopni i ochłodzenie, powinno spowodować że krojona cebula nie będzie tak działać, zachowując smak. Allinaza praktycznie nie działa w niskich temperaturach, więc można też kroić cebulki ochłodzone wcześniej na górnej półce lodówki do kilku stopni albo krótko w zamrażalniku prawie do zera - taka cebula zacznie działać dopiero po ogrzaniu w sałatce. Oba enzymy przestają też być aktywne przy zakwaszeniu, więc można spróbować zakwaszać cytryną, ale nie do każdych zastosowań się to przyda.
Swój sposób przeprowadzili biotechnolodzy, za pomocą różnych technik hybrydyzacji wyciszając gen produkujący LFS i tworząc "niepłaczliwą" odmianę.[2]

Wszystkie opisane związki mają różnorodne działanie na organizm. Często są bakteriobójcze, mogą obniżać poziom cholesterolu albo zmniejszać krzepliwość; są przeciwutleniaczami, związkami przeciwzapalnymi czy pobudzającymi odpowiedź immunologiczną. Oczywiście roślina nie po to je wytwarza. Ich ostry zapach i drażniące działanie ma odstraszać, zniechęcać roślinożercę do zjadania cebulek. Tego jednak, że znajdzie się zwierzę, które będzie je zjadało właśnie dla tego smaku i zapach, matka natura nie przewidziała.
--------
* Stereotyp ten wykazuje duże podobieństwo do różnych rasistowskich mitów. Jednym z elementów dehumanizacji nienawidzonej grupy, jest zawsze twierdzenie, że jej członkowie są brudni i śmierdzą. Jeszcze na początku XX wieku powszechne było w Ameryce przekonanie, że murzyna można poznać po smrodzie. Identycznie postrzegano w Chinach pierwszych europejczyków. "Zapach Żyda" był też w dawnej Europie uważany za cechę wrodzoną, wywołaną grzechem przodków, którzy nie uznali Jezusa. W jednej z wersji mitu o morderstwach rytualnych, spożywanie macy z krwią miało likwidować ten wrodzony odór. A wszystko przez czosnek...

[1]  Imai S, Akita K, Tomotake M, Sawada H (2006. a) Identification of two novel pigment precursors and a reddish-purple pigment involved in the blue-green discoloration of onion and garlic. J Agric Food Chem 54 843–847.
[2]  Colin C. Eady, Takahiro Kamoi, [...], and Shinsuke Imai, Silencing Onion Lachrymatory Factor Synthase Causes a Significant Change in the Sulfur Secondary Metabolite Profile, Plant. Physiol. August 2008 147(4) 2096-2106

*http://en.wikipedia.org/wiki/Garlic
*http://en.wikipedia.org/wiki/Onion
*http://pl.wikipedia.org/wiki/Alliina
*http://de.wikipedia.org/wiki/Alliin
*http://en.wikipedia.org/wiki/Alliin
*http://en.wikipedia.org/wiki/Allicin
*http://en.wikipedia.org/wiki/Alliinase
* http://en.wikipedia.org/wiki/Syn-propanethial-S-oxide
*http://en.wikipedia.org/wiki/Diallyl_disulfide
*http://antaryamin.wordpress.com/2012/07/08/what-islam-says-about-eating-onion-and-garlic/
*http://www.touregypt.net/featurestories/neferherenptaht.htm
*http://onions-usa.org/all-about-onions/history-of-onions