Wielka pomarańczowa chmura

Wiadomość jaką zobaczyłem właśnie w portalach informacyjnych jest tak nietypowa, że muszę o tym napisać.

Nad ranem w zakładach chemicznych na obrzeżach miasta Igualada, w Hiszpanii (region autonomiczny Katalonia) doszło do nietypowego wypadku - prawdopodobnie pomyłka przy przenoszeniu chemikaliów z pojemnika do pojemnika doprowadziła do eksplozji i wytworzenia wielkiej pomarańczowej chmury, która rozeszła się nisko nad miastem. Wygląda to doprawdy apokaliptycznie:

 

Sądząc po tym jak rozchodzi się chmura, w okolicy musi występować inwersja temperatur - powietrze w warstwie nad ziemią jest chłodniejsze niż warstwy wyższe. Ponieważ powietrze cieplejsze ma mniejsza gęstość, zaś unoszenie oparów polega na wypieraniu mniej gęstego powietrza nad bardziej gęste, chłodniejsze, inwersja temperatur powoduje że wszelkie dymy i opary zatrzymują się na pewnej wysokości, tam gdzie przebiega granica między masami powietrza, nie mogąc unieść się wyżej w ciepłym powietrzu górnej warstwy. Właśnie to zjawisko powoduje powstawanie smogu nad miastami, który wieczorem obejmuje warstwę kilkudziesięciu metrów przy powierzchni, nad którą sięgają szczyty wieżowców. Jest szczególnie dotkliwe gdy miasto znajduje się w kotlinie między wzgórzami a wiatr jest słaby - czego przykładem choćby strasznie zasmożony Kraków.

W przypadku  Igualady na zdjęciach widać podobną sytuację:

 

Ale czemu piszę o tym na blogu chemicznym?
Jak podają media, do wypadku doszło po zmieszaniu kwasu azotowego z chlorkiem żelaza. W takiej sytuacji dla chemika oczywiste powinno być, że gazem jest dwutlenek azotu, będący bardzo toksycznym gazem.
Kwas azotowy, będący utleniaczem, reaguje z chlorkiem żelaza II będącym reduktorem. Żelazo II utlenia się do żelaza III, część jonów azotanowych V redukuje się do tlenku azotu II, stąd proste równanie:

3 FeCl₂ +  10 HNO₃ → 3 Fe(NO₃)₃ + 2 H₂O + NO + 6 HCl

Tlenek azotu II jest gazem bardzo nietrwałym - w zasadzie jest to obojętny rodnik z jednym niesparowanym elektronem Natychmiast więc po zmieszaniu z powietrzem reaguje z tlenem i utlenia się do dwutlenku azotu:

2 NO + O
2 → 2 NO
2

Który jednak nadal jest gazem bezbarwnym.
Ten jednak w takiej formie nadal nie jest gazem trwałym - bardzo chętnie zamienia się w dimer, nazywany tetratlenkiem diazotu IV, i to właśnie ten gaz ma pomarańczowo-brunatny kolor:

2 NO
2 N
2O
4

Równanie zawiera charakterystyczny znak przeciwnie skierowanych strzałek. Oznacza to, że mamy do czynienia z pewną równowagą. Im niższa temperatura, tym chętniej związek występuje w formie dimeru, im wyższa tym łatwiej rozpada się na monomer i tym więcej jest w nim formy pojedynczej, co pięknie pokazuje ten przykład:

Tlenek Azotu IV w różnych temperaturach. Od lewej: +50 °C, +35 °C,+ 25 °C, 0 C, -196 °C

Równowaga między tymi formami chętnie jest prezentowana w szkołach, tutaj bowiem zależność równowagi od temperatury widać naocznie.

Zatem po zmieszaniu chemikaliów zaszły trzy reakcje jedna po drugiej, a uwolniony gaz wypłynął nad miasto. I tak oto powstała brązowa chmura.

Czy jest groźna?
Dwutlenek azotu stanowi gaz toksyczny, duszący i podrażniający błony śluzowe. Wiąże się to z faktem, iż rozpuszczając się w wodzie tworzy mieszaninę kwasów azotowego V i azotowego III, i właśnie następowanie tego procesu w wilgoci naszych oczu i płuc powoduje szkodliwe skutki.
Miejmy nadzieję że wiatr z czasem rozwieje chmurę. Na razie najnowsze zdjęcia pokazują jak powoli rozpełza się na okolicę:

 

Najlepszą sytuacją byłoby rozwianie oparu przez wiatr. Mocniejszy deszcz też byłby dobry bo szybko oczyściłby atmosferę a kwasy by się rozcieńczyły. Najgorsza byłaby mgła albo mżawka, wtedy powstawałyby małe bardzo kwaśne kropelki opadające na ziemię i działające korozyjnie i podrażniająco.

Postsciptum
Pomarańczowa chmura ostatecznie została rozwiana, poza podrażnieniami oczu nie wywołała większych szkód. Wedle ostatnich oświadczeń firmy chemicznej, do wypadku doszło gdy kwas azotowy został wlany do kilkuset litrowego pojemnika z kwasem mrówkowym. Kwas mrówkowy także jest reduktorem, a reakcja między tymi substancjami powoduje wydzielenie dużej ilości ciepła, dwutlenku węgla i tlenków azotu.
 Dokładnie identyczny przypadek zdarzył się w 1988 roku we Włoszech, gdzie kwas azotowy wlano do cysterny zawierającej kwas mrówkowy, będący zapewne pozostałością środka czyszczącego. W tamtym przypadku zawory cysterny zakręcono. Wzrost temperatury i wydzielanie się gazów spowodowały eksplozję, która rozsadziła cysternę i odrzuciła na dużą odległość fragmenty konstrukcji. Wybuch i poparzenie gorącym kwasem spowodowały śmierć jednej osoby i poranienie 10 pracowników. Szczątki cysterny uszkodziły kilka budynków a fala uderzeniowa wybiła szyby w promieniu trzystu metrów. Uwolniona chmura tlenków azotu rozprzestrzeniła się po okolicy, udało się ją jednak częściowo zneutralizować kurtyną wodną i zepchnąć nad morze przy pomocy helikoptera.[1]

-------
[1] http://www.factsonline.nl/free-example/10257/chemical-accident-in-italy-with-nitric-acid

Odkamieniacze

Zdarzyła mi się kiedyś taka historia ze strasznie zatwardziałym czajnikiem.

Czajnik elektryczny to jedno z urządzeń, które w pokoju akademika stanowią absolutną podstawę bytu, będąc równie niezbędnym jak lodówka. W tym przypadku chodziło o jeden czajnik używany do herbat, kaszek, kisielków i zupek przez sześć osób, w którym w związku z intensywnym wykorzystaniem nagromadziło się z czasem dość dużo ciemnożółtego kamienia. Odpadający od ścianek i grzejnej spirali kamień tak długo pozostawał poza naszą uwagą, dopóki podczas nalewania nie puściło luźno osadzone sitko przy dzióbku, przez co kilka nieestetycznych skorupek wpadło do herbaty jednemu z nas.
- No to trzeba chyba w końcu to wyczyścić - powiedział ktoś zaglądając do zaskorupiałego wnętrza, i delikatnie tonem swej wypowiedzi sugerując, że powinien to być ktoś z nas.
- Lepiej kupić odkamieniacz - zaproponował ktoś inny.
- A po co odkamieniacz. Nasypie się kwasku cytrynowego i zostawi na jakiś czas - wtrąciłem.
- A zadziała tak jak odkamieniacz?
- Chyba z połowa odkamieniaczy to kwasek cytrynowy z dodatkami - odpowiedziałem mądrząc się i podpierając autorytetem studenta chemii. Spróbowali i zadziałało tak jak sądziłem.

Ale po co teraz to tutaj opowiadam? A no po to aby mieć dobry pretekst do opowiedzenia o co chodzi w odkamienianiu i czym są właściwie sklepowe odkamieniacze. A z rozmów w ludźmi wynikało mi, że wielu nie wie czym jest ten kamień, dlatego też sądzą że do jego usunięcia trzeba koniecznie używać specjalnych odkamieniaczy, mających specjalną właściwość odkamieniania i że zwykły kwasek nie wystarcza.

Kamień kotłowy stanowi stały, nierozpuszczalny osad mineralny, utworzony z soli zawartych w wodzie. Najczęściej są to sole wapnia i magnezu w formie węglanów. Związki te nie są rozpuszczalne w wodzie, chyba że towarzyszy im dwutlenek węgla. Ten, rozpuszczając się w wodzie tworzy lekko kwaśny roztwór z przewagą jonów wodorowęglanowych. W tym roztworze rozpuszczać się mogą minerały wapnia, przez co powstaje rozpuszczalny wodorowęglan.

Jako że wapń i magnez są w naturze pospolite, ich wodorowęglany stanowią stałą domieszkę w wodach powierzchniowych i podziemnych. Wraz z wodą trafiały dawniej do kotłów parowych, zaś obecnie do naszych czajników. Pod wpływem wysokiej temperatury wodorowęglany rozpadają się wydzielając dwutlenek węgla a stały węglan osiada na najgorętszych częściach, to jest ściankach i dnie lub na spirali grzejnej, tworząc kruchą lecz twardą warstewkę. Dodatkowo w materiale tej warstewki chętnie osadzają się inne metale, zwykle żelazo, które w formie małych domieszek magnetytu podbarwia osad na żółtobrązowo.
Kamień ten ma tą właściwość, że niezbyt dobrze przewodzi ciepło. Sprawność kotła, grzałki, rekuperatora czy czajnika spada wraz z narastaniem warstwy, co odbija się na ilości paliwa czy prądu potrzebnych do zagrzania wody. Co gorsza kamień może doprowadzać do przegrzewania się elementów grzejnych i ich szybszego zepsucia. W niektórych przypadkach odkładanie się w cienkich przewodach lub filtrach może doprowadzać do ich zatkania. Dlatego dobrze jest go usuwać.

Skrajny przypadek kamienia zarastającego od wewnątrz rurę doprowadzającą wodę

Czym można usuwać kamień? W jego skład wchodzą węglany podobnie jak w kredzie, dlatego też podobnie jak ona rozpuszczać się będzie w kwasach. Zatem aby go usunąć należy po prostu potraktować nasz czajnik czymś kwaśnym.
W większości przypadków najzupełniej wystarczy ocet lub sok z cytryny, ewentualnie kilka łyżeczek kwasku cytrynowego w szklance wody. Naczynie zostawić z kwasem na godzinę lub kilka aż większość osadu się rozpuści, potem wylać, przepłukać, dla pozbycia się kwaśnego posmaku można zagotować nieco czystej wody i też wylać. Nie trzeba być chemikiem aby takie rzeczy znać.

Skoro jednak ludzie mimo to sięgają po odkamieniacze, dobrze by było rozpatrzeć co też takiego zawierają, tym bardziej że jak widzę z przeglądu internetu, przypadkowe napicie się wody z takim środkiem nie jest wcale takie rzadkie.

Kwas cytrynowy - z prostego przejrzenia ofert wynika, że jakieś 30% odkamieniaczy to albo sam kwas cytrynowy albo kwas z dodatkami, chodzi zwłaszcza o środki reklamowane jako ekologiczne . Tymi dodatkami może być kwas winowy lub mlekowy, rzadziej jabłkowy czy maleinowy, które pomagają w rozpuszczaniu przez tworzenie związków z kationami. Nie jest trujący, ale może podrażniać oczy i usta.
Kwas amidosulfonowy - preparaty bez kwasu cytrynowego z reguły zawierają ten właśnie składnik, w wielu przypadkach pojawia się mieszanka obu kwasów, są to na przykład preparaty Izo czy Kamyk. Jest to pochodna kwasu siarkowego, z jedną grupą hydroksylową zastąpioną cząsteczką amoniaku. Ma postać białego, drobnokrystalicznego proszku słabo rozpuszczalnego w wodzie. Rozpuszczając się dysocjuje jak średnio mocny kwas. W odróżnieniu od kwasów mineralnych jak azotowy czy solny ma tą zaletę, że nie jest płynem, zatem może być sprzedawany w saszetkach. Ponadto nie jest higroskopijny i na sucho nie ma właściwości żrących. Nie jest też trujący ale podobnie jak inne kwasy podrażnia oczy i usta. W razie wypicia roztworu należy popić go większą ilością wody, nie wywoływać wymiotów.

Kwas ten jest też składnikiem płynów czyszczących i usuwających rdzę, a więc płynów do toalet i powierzchni metalowych. W odróżnieniu od kwasów mineralnych zmieszany z wybielaczami nie powoduje wydzielania chloru.

Kwas metanosulfonowy - rzadziej używana inna pochodna kwasu siarkowego, ma postać gęstego płynu stąd zwykle jest używany w środkach płynnych.

W preparatach płynnych do odkamieniania powierzchni lub maszyn często stosowane są też silne kwasy mineralne, fosforowy i azotowy. Niektóre środki do usuwania kamienia z ekspresów do kawy czy zmywarek zawierają dodatkowo tajemniczo brzmiący kwas etidronowy. Jest to pochodna kwasu fosforowego, jednak jej dodatek nie ma na celu zwiększenie kwaśności; ma właściwości chelatujące, to jest tworzy z jonami metali kompleksy, co niejako usuwa wolne jony z roztworu. Usuwanie jonów uwalnianych z osadu powoduje przyspieszenie rozpuszczania. Dodatkowo środek kompleksujący usuwa jony żelaza, pomagając zmywać także rdzawe zacieki.

Oprócz wymienionych kwasów, środki takie zawierają też często detergenty aby usuwać tłuste zabrudzenia, mogą zawierać wybielacze, zwłaszcza środki do ekspresów, preparaty do powierzchni metalowych mogą zawierać inhibitory korozji; niektóre płynne środki są zabarwiane, aby można było się zorientować, czy wypłukało się pozostałości. Z reguły na opakowaniach pojawiają się informacje do jakich powierzchni nie należy ich stosować - na przykład płyny do czyszczenia armatury z kwasem azotowym i fosforowym mogą reagować z metalem, więc wlewanie ich do garnków czy ekspresów może nie być dobrym pomysłem.

W wielu urządzeniach stosowane są dodatkowo środki zapobiegające osadzaniu kamienia, w większości przypadków są to preparaty zmiękczające wodę, to jest tworzące z jonami wapnia i magnezu rozpuszczalne, nie odkładające się połączenia. W ich skład mogą wchodzić polifosforany i fosfoniany takie jak wyżej wymieniony kwas etidronowy, mogą to być kwasy polikarboksylowe, mogą to być wymieniacze jonów w formie bardzo drobnego proszku jak zeolity czy żywice jonowymienne które wchłaniają wapń. Spotkałem też środki zawierające węglan sodu, mające chyba powodować wytrącanie się wapnia w formie koloidu w roztworze a nie jako osad na powierzchniach.
Odkładaniu kamienia zapobiega też zmiękczanie wody - wiele osób używa dzbanków z filtrem zmiękczającym, zawierającym żywicę jonowymienną, i używają jej do robienia kawy i herbaty. Posiadacze filtrów membranowych mogą też użyć nienamineralizowanej wody.

Zwrócę jeszcze uwagę na osad powstający na wannach i umywalkach z powodu używania mydła. Mydło to sodowa lub potasowa sól kwasów tłuszczowych, zwykle kwasu stearynowego i laurynowego. W twardej wodzie następuje wymiana jonów. Powstające mydła wapniowe i magnezowe są trudno rozpuszczalne, mają bardziej mazistą konsystencję (są zresztą składnikami suchych smarów) i osadzają się na powierzchniach. Na mydlanej warstewce może potem dodatkowo osadzać się kamień.
Osad taki można zmyć kombinacją kwasu i detergentów. Kwasy takie jak ocet czy sok z cytryny zamieniają mydło, będące solą kwasu tłuszczowego, w tenże kwas w formie swobodnej. Kwasy tłuszczowe są tłustymi maziami* które dają się zmywać detergentem.

Mam nadzieję że nieco rozjaśniłem w głowach.

-------
* Pouczające będzie tu doświadczenie w którym najpierw smarujemy talerz mydłem, a potem posypujemy kwaskiem lub polewamy octem - talerz zrobi się tłusty w dotyku, jak gdyby posmarowano go masłem.

Chemicy i ich zatrucia

W  artykule na temat anegdot o chemikach, gdzie omawiałem ich odkrycia, wspomniałem że w odróżnieniu od słodzików czy innych dobroczynnych substancji, o tych którzy przypadkiem odkryli silną truciznę mogliśmy nie usłyszeć. Tymczasem wygląda na to, że jednak nie. Niektóre takie przypadki znanych zatruć chemików udało mi się wygrzebać.
A wszystko przez nieostrożność i odrobinę pecha...

Kropla która powali słonia
W roku 1964 grupa badaczy pod przewodnictwem Kennetha Bentley'a zajmowała się otrzymywaniem pochodnych tebainy, opiatu podobnego do morfiny, o nowych, bardziej korzystnych właściwościach leczniczych. Zasadniczo wiedzieli oni, że otrzymywane związki mogą mieć działanie na organizm, najwyraźniej jednak nie pilnowali się tak bardzo, skoro pewnego dnia jeden z nich zamieszał w dzbanku kawy szklaną bagietką, zanieczyszczoną śladami nowo otrzymanego związku. Śladowe ilości związku wystarczały, aby dziesięciu badaczy wpadło w śpiączkę. Jak się potem okazało, nowa pochodna, nazwana potem Etorfiną, jest 2 tysiące razy silniejsza od morfiny. Nie nadaje się na narkotyk bo zbyt łatwo można ją przedawkować. Znalazła zastosowanie do obezwładniania dużych zwierząt, efekt usypiania następuje bowiem bardzo szybko i równie szybko ustępuje po podaniu antidotum.[1]

Etorfina w dawce 4 mg jest używana w strzałkach do usypiania słoni.


Kapnęło
Gdy w grudniu 1936 roku chemicy IG Farben pod przewodnictwem Gerharda Schradera otrzymali nowy związek fosforoorganiczny, sądzili że będzie to tylko kolejny insektycyd, do zwalczania mszyc albo wszy. O tym że środek może się okazać skuteczną bronią wobec ludzi, przekonali się w styczniu zupełnie niechcący, gdy jednemu z asystentów kapnęła na stół jedna kropla nowego związku. Wkrótce kilku chemików doznało bólu głowy, duszności i zwężenia źrenic. Objawy osłabienia utrzymywały się u niektórych do kilku tygodni. Nowym związkiem zainteresowało się wojsko. Dziś znany jest jako środek paralityczno-drgawkowy Tabun.[2]

Niebezpieczne eksperymenty
Świetny chemik Humphry Davy, znany z wykorzystania prądu elektrycznego do wyizolowania nowych pierwiastków, u początków swej kariery naukowej zajmował się badaniem wpływu różnych gazów na organizm ludzki. To on doprowadził do tego, że wdychanie gazu rozweselającego stało się popularną rozrywką. Jako pierwszy też zauważył że gaz ten działa znieczulająco, ale inni badacze zignorowali to doniesienie. W pewnym okresie stał się nawet uzależniony od tego środka.

Mniej znanym epizodem tych badań, było doświadczenie z wdychaniem gazu świetlnego - produktu przepuszczania pary wodnej przez żarzący się węgiel, zawierającego znaczne ilości wodoru i tlenku węgla, czyli czadu. Oba te gazy są palne i przez długi czas używano ich do latarni miejskich. Davy sprawdzał działanie gazu, nie wiedząc w jak wielkim jest niebezpieczeństwie.
Nabrał go do pęcherza i przy pomocy rurki wziął pierwszy wdech. Był wtedy sam, nie przyszło mu do głowy angażować asystenta. Po pierwszym hauście gazu poczuł duszności i ból w piersi po czym zemdlał. Torba z gazem obsunęła mu się a rurka wypadła z ust. I całe szczęście, bo drugiego wdechu mógłby nie przeżyć. Po odzyskaniu przytomności zmierzył sobie jeszcze puls i wyszedł do ogrodu gdzie zemdlał jeszcze raz. Ale po kilku dniach powtórzył doświadczenie i opisał wyniki.[3]

Równie niebezpieczny był zwyczaj Karola Scheelego aby próbować i wąchać substancji nad którymi pracował. Gdy w wieku 46 lat zmarł lekarze podejrzewali zatrucie rtęcią, sądząc jednak po liście badań i ich opisach mogła być to kombinacja zatrucia rtęcią, arsenem i kwasem fluorowodorowym.

Prezentacja
Thomas Midgley, o którym wspominałem w poprzednich wpisach (to ten który przemywał oczy rtęcią) najbardziej znany jest z dwóch odkryć - zastosowania freonów w chłodnictwie i związków ołowiu jako przeciwstukowego dodatku do benzyny. W tym ostatnim przypadku wytwarzanie i przechowywanie dodatku, którym był tetraetylenek ołowiu, było procesem bardzo niebezpiecznym. Po kilku śmiertelnych zatruciach w zakładzie Du Pont pracownicy zastrajkowali a prasa rozpisywała się na temat planów dodawania trucizny do paliwa.
Dlatego też Midgley w 1924 roku zorganizował nietypową konferencję prasową. Przekonywał na niej, że ilości związku jakie znajdą się w paliwie są mniej toksyczne niż sama benzyna, a nawet - tutaj wyjął buteleczkę z czystym tetraetylenkiem - i czysty nie jest tak trujący jak to mówią. Na dowód odkręcił buteleczkę i zaciągnął się jej oparami. Potem wylał odrobinę na ręce i rozsmarował. Tak więc widzicie państwo, nic się nie dzieje - przekonywał.
Po tej prezentacji musiał pójść na kilkumiesięczny urlop, podczas którego zmagał się z objawami ciężkiego zatrucia ołowiem.[4]

Pomimo zabezpieczeń
Czasem jednak zabezpieczenia niewiele pomogą. Gdy w 1996 roku Karen Wetterhahn pracowała nad dimetylortęcią, znajdowała się w nowoczesnym laboratorium, a podnosząc fiolkę z kroplą związku miała na rękach lateksowe rękawiczki a na twarzy zasłonę. Przypadkiem fiolka pękła podczas manipulacji a ok. 0,5 ml związku rozprysnęło się po rękawiczkach. Zgodnie z zasadami zdjęła rękawiczki i części ubioru które mogły zostać skażone i wrzuciła do pojemnika na odpady niebezpieczne. Kilka miesięcy później zaczęła doznawać objawów postępującej degradacji układu nerwowego. Jak się okazało, niewielka ilość dimetylortęci zdążyła w ciągu kilku minut przeniknąć przez rękawiczki i wniknąć w skórę. Stamtąd przedostała się do krwi a potem do mózgu, osiągając śmiertelne stężenie. Niespełna rok po wypadku badaczka zmarła z powodu ciężkiego zatrucia tym związkiem.[5]

-------
[1]  http://file.zums.ac.ir/ebook/190-Drugs%20of%20Abuse-Michael%20J.%20Ph.D.%20Kuhar-0761479449-Marshall%20Cavendish%20Corporation-2012-320-$85.pdf str.10
[2]  http://www.epidemiologyandtoxicology.org/files/Nerve_Agents_Sarin_Hx_MoAGEORGE_1_.pdf
[3] Robert Hunt, Dictionary of National Biography volume 14, Humphry Davy
[4]  http://www.psychedelicporcupine.co.uk/2010/05/thomas-midgley-jr-the-worlds-most-destructive-man/
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Karen_Wetterhahn

Kiedyś w laboratorium (44.)

Gdy jeszcze zajmowałem się syntezami na potrzeby pracy magisterskiej, zaintrygował mnie sposób w jaki wykrystalizowała jedna z otrzymanych oksazolin:

W miarę odparowywana na wyparce, stężenie związku z cienkiej warstwie roztworu rosło, aż od pewnego punktu rozpoczęła się szybka krystalizacja. Jednak zamiast promienistych igieł, kryształy uformowały wyraźne prążki. Musiała nastąpić jakaś specyficzna organizacja, tworząca regularny kształt:

Z innymi oksazolinami czegoś takiego nie obserwowałem. Później zagęszczałem jeszcze jedną frakcję z tym związkiem i w innym naczyniu zachował się identycznie, widocznie to jego właściwość.

ps. znalazłem pracę w IChO PAN w Warszawie, za parę dni opiszę szerzej.