Научно-исследовательский проект «Химия на защите Родины»

Научно-исследовательский проект

«Химия на защите Родины»

1941 год, начало войны... Немецкие танки рвались к Москве, Красная Армия сдерживала врага. Не хватает обмундирования, продовольствия и боеприпасов, но самое главное - катастрофически не хватает противотанковых средств. В этот критический период на помощь приходят ученые-энтузиасты: в два дня на одном из военных заводов налаживается выпуск бутылок КС (Качурина-Солодовникова), или просто бутылок с горючей смесью. Это незамысловатое химическое устройство уничтожает немецкую технику не только в начале войны, но даже в 1945 году в Берлине.

Что представляют собой бутылки КС? К обыкновенной бутылке прикреплялись резинкой ампулы, содержащие концентрированную серную кислоту, бертолетову соль, сахарную пудру. В бутылки заливали бензин, керосин или масло. Как только такая бутылка при ударе разбивалась о броню, компоненты запала вступали в химическую реакцию, происходила сильная вспышка, и горючее воспламенялось. Три компонента запала берутся в отдельности, их нельзя смешивать заранее, т.к. получается взрывоопасная смесь.

Опыт «Действие Н₂S0₄ на смесь КClO3 и сахарной пудры». 1 г мелкокристаллического КClO3 осторожно перемешивают с 1 г сахарной пудры. Высыпают смесь на крышку от тигля и смачивают её 2-3 каплями концентрированной Н₂S0₄. Смесь вспыхивает.

Многие наши сверстники в военные годы во время налетов дежурили на крышах домов, тушили зажигательные бомбы. Начинкой таких бомб была смесь порошков А1, Mg и оксида железа, детонатором служила гремучая ртуть. При ударе бомбы о крышу срабатывал детонатор, воспламеняющий зажигательный состав, и все вокруг начинало гореть.

Горящий зажигательный состав нельзя потушить водой, т.к. раскаленный магний реагирует с водой.

Алюминий использовался не только в зажигательных бомбах, его применяли для «активной» защиты самолетов.

При отражении налетов авиации союзников на Гамбург операторы немецких радиолокационных станций обнаружили на экранах индикаторов неожиданные помехи, которые делали невозможным распознавание сигналов от приближающихся самолетов. Помехи были вызваны лентами из алюминиевой фольги, сбрасываемыми самолетами союзников. При налетах на Германию было сброшено примерно 20000 тон алюминиевой фольги.

Во время ночных налетов для освещения цели бомбардировщики сбрасывали на парашютах осветительные ракеты. В состав такой ракеты входили порошок магния, спрессованный с особыми составами, и запал из угля, бертолетовой соли и солей кальция. При запуске осветительной ракеты высоко над землей ярким пламенем горел запал, по мере снижения свет постепенно делался более ровным, ярким и белым - это загорался магний. Когда цель становилась хорошо освещена, летчики начинали прицельное бомбометание.

Опыт. Демонстрация горение магниевой ленты.

Магний использовали не только для создания осветительных ракет. В огромном количестве его использовали в авиационной промышленности - основном потребителе этого металла. Магний добывали даже из морской воды. Технология его извлечения такова: морскую воду смешивают в огромных баках с известковым молоком, затем, действуя на выпавший осадок соляной кислотой, получают хлорид магния, из которого электролизом выделяют металлический магний (на экране проецируются уравнения):

МgС1₂ + Са(ОН)₂ →Мg (ОН) ₂ + СаС1₂

Мg(ОН)₂ + 2НС1→МgС1₂ + 2Н₂0

МgCl2→Mg+Cl2 (Электролиз)

Было бы несправедливо не вспомнить сегодня о порохе. В основном во время войны использовался порох нитроцеллюлозный (бездымный) и реже - черный (дымный). Основой первого является высокомолекулярное взрывчатое вещество нитроцеллюлоза, а второй представляет собой в процентах: нитрат калия 75%, углерод 15%, сера 10%. Грозные боевые «катюши» и знаменитый штурмовик ИЛ-2 были вооружены реактивными снарядами, топливом для которых служили бездымные пороха.

Взрывчатое вещество кордит, используемое для начинки гранат и разрывных пуль содержит приблизительно 30% нитроглицерина и 65% пироксилина (пироксилин представляет собой тринитрат целлюлозы).

Опыт. Демонстрируется горение бездымного пороха (нитроцеллюлозы).

Трудная задача стояла перед войсками ПВО. На нашу Родину были брошены тысячи самолетов, пилоты которых уже имели опыт войны в Испании, Польше, Норвегии, Бельгии, Франции. Для защиты городов использовали все возможные средства. Кроме зенитных орудий небо над городами оберегали наполненные водородом шары, которые мешали пикированию немецких бомбардировщиков.

Во время ночных налетов вражеских пилотов ослепляли специально выбрасываемыми составами, содержащими соли стронция и кальция.

Опыт. Окрашивание пламени солями стронция и кальция. Полоски фильтровальной бумаги смачивают в концентрированных растворах нитратов кальция и стронция. Высушенные полоски укрепляют на металлическом стержне. При поджигании полосок они горят, окрашивая пламя в кирпично-красный цвет (катион Са²⁺) и малиновый (катион Sr²⁺).

Для заполнения шаров водородом в военном деле использовался силиконовый способ, основанный на взаимодействии кремния с раствором гидроксида натрия. Реакция идет по уравнению:

Si+2NaOH+H₂O→Na₂SiO₃+2H₂↑

Для получения водорода использовался также гидрид лития. Таблетки этого соединения служили американским летчикам портативными источниками водорода, которыми они пользовались при авариях над морем: под действием воды таблетки моментально разлагались, наполняя водородом спасательные средства - надувные лодки, жилеты, сигнальные шары-антенны.

LiH+ H₂O→LiOH + H₂↑

Искусственно созданные дымовые завесы помогли сохранить жизни тысяч советских бойцов. Эти завесы создаются при помощи дымообразующих веществ. Первым веществом, которое начали использовать для этого, был белый фосфор. Дымовая завеса при использовании белого фосфора состоит из частиц оксидов и капель фосфорной кислоты.

Демонстрируется опыт «Дым без огня»: в цилиндр наливают несколько капель концентрированной соляной кислоты, на стекло капают несколько капель 25-процентного раствора аммиака. Цилиндр накрывают стеклом. Выделяется белый дым.

«Таблица Менделеева на защите Родины».

Li

В годы Великой Отечественной войны литий стал стратегическим металлом. Он бурно реагирует с водой, при этом выделяется большой объем водорода, которым заполняют аэростаты и спасательное снаряжение при авариях самолетов и судов в открытом море. Добавка гидроксида лития в щелочные аккумуляторы увеличивает срок их службы в 2-3 раза, что было очень важно для партизанских отрядов и соединений, действующих в тылу врага. Трассирующие пули с добавками лития при полете оставляли сине-зеленый след. Соединения лития использовались на подводных лодках для очистки воздуха.

Be

Бериллиевая бронза (сплав углерода и 1%Ве) используется в самолетостроении. А сплав Ве, Мg, Аl, Ti необходим в создании ракет и скорострельных авиационных пулеметов, впервые примененных в Великой Отечественной войне.

N

Ни одно взрывчатое вещество нельзя приготовить без HNO3 и ее солей.

Mg Al

На остове магния и алюминия производились сверхлегкие сплавы для самолетостроения.

Ti

Сплав титана с другими металлами идет на изготовление танковой брони. Гитлер издал указ невступать в бой с советскими танками ИС-3 на расстоянии более 1 км. т.к. состав брони у этого танка был такой, что его не могли пробить фишистские снаряды Титан применяют также в радиотехнике.

V

Из ванадиевой стали изготовляли солдатские каски, шлемы, броневые плиты на пушках, бронебойные снаряды.

Cr

Хромовые стали нужны для изготовления огнестрельных орудии, корпусов подводных лодок.

Fe

Более 90% производства металла в годы войны приходилось на железо. Железо - главная составляющая чугунов и сталей.

Cu

Сплав Сu (90%) и Sn (10%) - пушечный метал. Сплав Сu (68%) и Zn (32%) - латунь, которая использовалась для изготовления артиллерийских снарядов и патронов.

Ge

Без германия не было бы радиолокаторов.

W

Из вольфрамовых сталей и сплавов изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов.

«Ученые-химики в период Великой Отечественной войны»

Советские ученые внесли свой вклад в победу над фашистской Германией. Ученые-химики создавали новые способы производства взрывчатых веществ, топлива для реактивных снарядов «Катюш», высокооктановых бензинов, каучука, материалов для изготовления броневой стали, легких сплавов для авиации, лекарственных препаратов.

Выпуск химической продукции к концу войны приблизился к довоенному уровню, в 1945 году он достиг 92% от уровня 1940 года.

Мы расскажем о деятельности некоторых ученых-химиков в годы Великой Отечественной войны. (На стенде помещены портреты ученых- химиков).

Александр Еремингельдович Арбузов - выдающийся ученый, основоположник химии фосфорорганических соединений. Вся жизнь и деятельность его была неразрывно связана с прославленной Казанской школой химиков. Исследования Арбузова были всецело посвящены нуждам обороны и медицины. В марте 1943 года виднейший советский физик-оптик С.И. Вавилов писал Арбузову: «Глубокоуважаемый Александр Ермингельдович! Обращаюсь к Вам с большой просьбой - изготовить в Вашей лаборатории 15 г 3,6-диаминофталимида. Оказалось, что этот препарат, полученный от Вас, обладает ценными свойствами в отношении флуоресценции и адсорбции, и сейчас нам необходим для изготовления нового оборонного оптического прибора...». Изготовленный им препарат использовался в оптических приборах танков и способствовал обнаружению врага на далеком расстоянии. И в дальнейшем Арбузов выполнял заказы оптического института на изготовление различных реактивов.

С именем Николая Дмитриевича Зелинского связана целая эпоха в истории отечественной химии. Зелинский вошел в историю как деятель науки, который в критические моменты для своей страны без колебаний становился на её защиту. Так было с созданием противогаза в первую мировую войну, с синтетическим бензином в гражданскую и авиационным топливом в Великую Отечественную войну. Исследования Н. Д. Зелинского были направлены на разработку способов получения высокооктанового топлива для авиации, мономеров для синтетического каучука.

Вкладом академика Николая Николаевича Семенова в победу являлась разработанная им теория цепных разветвленных реакций. Эта теория давала в руки химиков возможности ускорять реакции вплоть до образования взрывной лавины, замедлять их и даже останавливать на любой промежуточной стадии. Исследования процессов взрыва, горения, детонации, проводимые Н.Н. Семеновым и его сотрудниками, в начале 40-х годов привели к выдающимся результатам, которые во время войны использовались в производстве патронов, артиллерийских снарядов, взрывчатых веществ, зажигательных смесей для огнеметов. Были проведены исследования, посвященные вопросам отражения и столкновения ударных волн при взрывах. Результаты этих исследований были использованы уже в первой период войны при создании кумулятивных снарядов, гранат и мин для борьбы с вражескими танками.

Иван Людвигович Кнунянц - профессор и заведующий кафедрой Военной Академии химической защиты. В 1943 году И. Л. Кнунянц был удостоен премии за разработку надежного средства индивидуальной защиты людей от отравляющих веществ. Иван Людвигович является основоположником химии фторорганических соединений.

С самого начала войны перед учеными была поставлена задача: разработать и организовать производство препаратов для борьбы с инфекционными заболеваниями, в первую очередь с сыпным тифом. Под руководством Николая Николаевича Мельникова было организовано производство дуста, различных антисептиков для деревянных конструкций самолетов.

Академик Александр Наумович Фрумкин - выдающийся ученый, один из основоположников современного учения об электрохимических процессах, основатель советской школы электрохимиков. Занимался вопросами защиты металлов от коррозии, разработал физико-химический метод крепления грунтов для аэродромов, рецептуру огнезащитной пропитки дерева. Вместе с сотрудниками разработал электрохимические взрыватели.

Академик Сергей Семенович Наметкин является одним из основоположников нефтехимической науки. Он успешно работал в области синтеза новых металлоорганических соединений, отравляющих и взрывчатых веществ. Сергей Семенович отдал во время войны много сил для развития производства моторных топлив и масел, занимался проблемой химической защиты.

Исследования академика Валентина Алексеевича Каргина охватывают широкий круг вопросов, относящихся к физической химии, электрохимии и физикохимии высокомолекулярных соединений. Каргин разработал специальные материалы для изготовления одежды, защищающей от действия отравляющий веществ, разработал принцип и технологию нового метода обработки защитных тканей, химические составы, делающие валяную обувь непромокаемой. Разработал специальные типы резин для боевых машин.

Юрий Аркадьевич Клячко - заместитель начальника Военной Академии химической защиты и начальник кафедры аналитической химии. Ю. А. Клячко организовал батальон из состава сотрудников академии и был начальником участка линии обороны Москвы. Под его руководством была развернута работа по созданию новых средств химической обороны.

Сейчас мы хотим вам рассказать о страшном оружии - химическом. Предоставим слово ученикам X класса. (Формулы отравляющих веществ выполнены тушью на ватмане.)

22 апреля 1915 года во время сражения на реке Ипр (Бельгия) немецкие войска впервые применили отравляющее вещество, выпустив огромное ядовитое облако хлора.

В период первой мировой войны исследования выдающихся химиков Н.Д. Зелинского и Н.А. Шилова привели к разработке противогаза, который позволил сберечь жизни тысяч людей. В 30-е годы нависла угроза следующей мировой войны. Крупнейшие мировые державы активно вооружались, наибольшие усилия в этом направлении прилагали Германия и СССР.

Однако, даже владея отравляющими веществами нового поколения, Гитлер не решился развязать химическую войну, вероятно понимая, что последствия ее для сравнительно маленькой Германии и необъятной России будут несоизмеримы.

После второй мировой войны гонка химических вооружений продолжалась на более высоком уровне. На вооружение были приняты: иприт, люизит, зарин, заман и VХ. Позже появились и другие отравляющие вещества. В настоящее время ведущие мировые державы не производят химического оружия, однако на планете накопились огромные запасы смертоносных отравляющих веществ, что представляет серьезную опасность для природы и человечества.

Основную часть запасов химического оружия составляют нервно-паралитические вещества - около 32 тысяч тон, кожно-нервных около 6 тысяч тон.

Применение химического оружия в наши дни совершенно исключено. Было принято решение уничтожить химическое оружие. В первой половине XX века его либо топили в море, либо закапывали в землю. Чем это чревато, пояснять не надо. Сейчас отравляющие вещества сжигают, но и здесь есть свои недостатки. При горении в обычном пламени концентрация их в отходящих газах в десятки тысяч раз превышает предельно допустимую. Относительную безопасность дает высокотемпературный дожег отходящих газов в плазменной электропечи. Этот метод применяют в США.

Другой подход к уничтожению химического оружия заключается в предварительном обезвреживании отравляющих веществ. Образовавшиеся нетоксичные массы можно сжечь, а можно перевести в твердые нерастворимые блоки, чтобы затем эти блоки захоронить в специальных могильниках или использовать в дорожном строительстве.

Заключительное слово учителя. В настоящее время широко обсуждается концепция уничтожения отравляющих веществ непосредственно в боеприпасах, предлагается переработка нетоксичных реакционных масс в химическую продукцию коммерческого назначения. Однако пока у правительства нет денег не только на уничтожение химического оружия, но и на научные исследования в этой области. В XXI век мы вошли с тяжелым наследием прошлого.

Хотелось бы надеяться, что мощь химии будет направлена не на разработку новых отравляющих веществ, а на решение глобальных проблем человечества.

Завершим мы нашу конференцию символическим салютом в честь Победы (звучит песня «День Победы»),

На лабораторном столе демонстрируют «салют».

Опыт. Перемешать на листе бумаги по 3 ложечки КМnO₄, порошка угля, порошка железа. Полученную смесь высыпать в железный тигель и нагреть в пламени спиртовки. Начинается реакция, и смесь выбрасывается в виде множества искр.