«Папа купил автомобиль...»

Эти слова из популярной когда-то песни знакомы многим из вас. Как вы помните, эта песенка о смешных злоключениях владельца очень старого автомобиля. Такие злоключения знакомы многим российским автомобилистам – старый автомобиль требует заботы и внимания и обязательно знания химии, без чего невозможно бороться с коррозией, правильно подобрать грунтовку, краску и растворители при покраске кузова. Не стоит говорить о том, что новый автомобиль – это настоящий химический реактор на колесах. Так что и владелец нового автомобиля не может позволить себе роскоши не интересоваться химией, т. к. контроль состава выхлопных газов – обязательная процедура при техосмотре, а это уже чистая химия. Мы предлагаем посмотреть на проблемы автомобилистов глазами химика. Возможно, такой взгляд поможет сделать многие проблемы более разрешимыми.

Задание 1. Накачивание автомобильных камер – процесс чисто физический. Но и химик может ответить на вопрос: почему в морозы желательно сильнее накачивать камеры, а с наступлением теплой погоды немного их спускать?

Задание 2. Сейчас на рынке имеется выбор антифризов – жидкостей для охлаждения двигателя, которые устойчивы к замерзанию. Но если вы оказались в ситуации, что антифриз приобрести негде, а вам необходимо его залить в систему охлаждения, то можно приготовить самодельный солевой антифриз – раствор, замерзающий при температуре –45 °С и содержащий (в %): CaCl₂ – 32, NaCl – 7, H₂O – 61.

Рассчитайте, сколько солей и воды надо взять, чтобы залить в систему охлаждения автомобиля «Жигули», объем которой составляет примерно 6 л.

Задание 3. Представьте себе, что во время длительного автопробега по лесным дорогам вам необходимо залить в радиатор свежую воду. Природная вода в этой местности только родниковая и колодезная, очень жесткая.

Как можно смягчить воду для радиатора в походных условиях, не имея под рукой никаких реактивов?

Задание 4. Многие из вас знают, что в состав жидкостей для предотвращения замерзания воды в радиаторе – антифризов – входят многоатомные спирты, чаще всего – этиленгликоль.

Какие из жидкостей, нередко имеющихся в доме, можно залить в радиатор в безвыходной ситуации?

Задание 5. Низкозамерзающая жидкость тосол изготовлена на основе этиленгликоля. В инструкциях для автомобилистов указано, что перед ее заливкой систему охлаждения необходимо очистить от накипи. Почему это важно?

Повторите по учебнику для 10-го класса химические свойства многоатомных спиртов.

Задание 6. Один из самых доступных способов для смягчения воды, заливаемой в системы охлаждения автомобилей, – добавление соды.

Рекомендуемая доза – 6–7 г кальцинированной соды Na₂CO₃ на 10 л воды. Можно использовать и кристаллическую соду – Na₂CO₃•10H₂O, но в другом количестве.

Рассчитайте, сколько надо взять последнего реактива, чтобы заменить 6 г кальцинированной соды.

Задание 7. У вас возникло подозрение, что работники автозаправочной станции, где вы постоянно покупаете бензин, добавляют в него воду.

В вашем распоряжении имеется негашеная известь. Можно ли с ее помощью проверить свои подозрения? Потребуются ли для этого еще какие-то препараты?

Задание 8. Это задание непосредственно связано с предыдущим. Очевидно, что примесь воды к бензину ухудшает все характеристики работы двигателя. А в морозную погоду такое мошенничество может привести и к более тяжелым последствиям – двигатель вообще не сможет работать.

Что может стать причиной остановки двигателя в морозную погоду, если бензин разбавлен водой?

Задание 9. Одно из многочисленных правил техники безопасности для автолюбителей, которые привыкли сами заниматься техобслуживанием, – ни в коем случае не приближать открытое пламя или искрящие провода к аккумулятору с открытыми пробками, т. к. это может привести к взрыву.

Какие взрывоопасные вещества могут образоваться в аккумуляторной батарее и за счет какого процесса?

Задание 10. Аккумуляторные батареи заряжают с помощью зарядных устройств – чаще всего германиевых или селеновых выпрямителей электрического тока, подключенных к осветительной сети. При этом очень важно не перепутать клеммы: клемму «плюс» батареи соединить с положительной, клемму «минус» – с отрицательной клеммой выпрямителя. Полярность батареи, выпрямителя и генератора можно проверить и без приборов, например, опустив оба конца проводов в воду, подкисленную серной кислотой. Тогда отрицательный провод можно немедленно обнаружить по внешним проявлениям.

Каким? И чем они обусловлены?

Задание 11. Определить полярность аккумуляторной батареи и выпрямителя можно при помощи обыкновенной картофелины. Правда, кроме нее вам потребуются два медных контакта, которые надо воткнуть в свежий срез клубня картофеля на расстоянии 2–3 мм друг от друга, а затем замкнуть цепь. Тогда около положительного провода мякоть клубня начнет синеть.

За счет каких процессов это происходит и какова роль картофеля?

Задание 12. В газете «Московский комсомолец» за 10 сентября 1999 г. рассказано о деятельности подпольного цеха по производству тормозной жидкости и тосола, обнаруженного милицией в Москве. Эксперты установили, что эта смесь угрожала безопасности автомобилистов, и объяснили это так: «Для производства тормозной жидкости мошенники использовали воду и бутанол, а для тосола – воду и этиленгликоль. При температуре –17 °С эти растворы попросту замерзают, а при нагревании до температуры 100 °С – выпадают в осадок. В результате тормоза у машин отказывают при первом же нажатии на педаль, и автомобили становятся фактически неуправляемыми».

Согласны ли вы с таким объяснением?

Задание 13. Заполнение радиатора автомобиля охлаждающей жидкостью на первый взгляд кажется очень простым делом, но и в нем есть немало тонкостей. Например, тосолом нельзя заполнять радиатор до самого верха, а только на 2–3 см ниже горловины. В радиатор необходимо периодически добавлять дистиллированную воду.

Какими свойствами этиленгликоля, входящего в состав тосола, можно объяснить эти правила и каким простым способом можно контролировать содержание воды в антифризе при добавлении воды в радиатор и при покупке тосола? И если содержание этиленгликоля в тосоле соответствует норме, значит ли это, что тосол отвечает всем требованиям?

По справочной литературе познакомьтесь с физическими свойствами этиленгликоля.

Задание 14. Автомобилисты на практике нередко добавляют к более дешевым низкооктановым бензинам различные вещества, повышающие их устойчивость к детонации. Этим свойством обладают прежде всего ароматические углеводороды, например толуол. В предыдущие годы, когда в быту широко использовали нафталин как средство от моли, в бензобаки добавляли и его. Действительно, эта уловка позволяла заправлять автомобиль более дешевым бензином. Но при этом у автомобилистов появлялись другие проблемы.

Чем они могли быть обусловлены?

Ответы и решения

1. Воздух, как и все газы, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.

2. Массовая доля воды в растворе составляет 61% (0,61).

В связи с тем, что не известна плотность получаемого раствора, мы не знаем его общей массы. Однако массу раствора m(р-ра) можно определить по известной массовой доли воды w. Если для приготовления раствора взять 6 кг воды:

w(H₂O) = m(H₂O)/m(р-ра) = 6 кг/m(р-ра) = 0,61, то получим m(р-ра) = 9,84 кг.

В состав раствора также входят хлорид кальция – 9,84•0,32 = 3,15 кг, хлорид натрия – 9,84•0,07 = 0,69 кг.

3. Сначала воду надо вскипятить на костре, затем собрать золу от костра и добавить в воду. Потом профильтровать через ткань или просто осторожно слить верхний слой после отстаивания.

Зола содержит значительное количество соли К₂СО₃, которая осаждает соли кальция и магния.

4. В безвыходной ситуации для этой цели можно использовать водку, этиловый спирт, одеколон или лосьон с высоким содержанием спирта, глицерин, разбавленный водой.

5. Многоатомные спирты обладают слабыми кислотными свойствами, поэтому способны растворять накипь, которая состоит преимущественно из карбонатов кальция и магния, с образованием этиленгликолятов:

Вcледствие этой реакции содержание чистого этиленгликоля в растворе снижается, изменяются его характеристики. Существует и физическая причина: слой накипи на стенках системы охлаждения препятствует нормальному теплообмену и снижает эффективность охлаждения.

6. Молекулярные массы кальцинированной соды Na₂CO₃ и кристаллической Na₂CO₃•10H₂O соответственно равны 106 и 286 г/моль. Необходимо внести 6 г кальцинированной соды.

Составим пропорцию:

286 г/моль– х г –		106 г/моль, 6 г,
х = 286•6/106 = 16,2 г.

Следовательно, 16,2 г кристаллической соды надо внести для смягчения 10 л воды.

7. Если бензин содержит воду, то при добавлении в него негашеной извести образуется раствор со щелочной реакцией, что можно обнаружить с помощью индикатора фенолфталеина. Так что вам необходим еще и кислотно-щелочной индикатор.

8. Вода может замерзнуть в бензопроводе и закупорить его, в результате бензин вообще перестанет поступать в карбюратор.

9. Один из побочных процессов, происходящих в аккумуляторной батарее, – электролиз воды, который в кислом растворе (электролит H₂SO₄) протекает по схеме:

катод 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–,
анод 2H₂O – 4e = О₂ + 4H⁺.

Этот процесс может привести к образованию взрывоопасного гремучего газа, состоящего из смеси двух объемов водорода и одного объема кислорода.

10. На отрицательном проводе сразу начнется выделение пузырьков водорода:

2Н⁺ + 2е ® Н₂.

11. На аноде происходит электрохимическое окисление меди (анодное растворение):

Cu – 2e = Cu₂⁺.

Образующиеся катионы меди окрашивают мякоть картофеля в синий цвет. Картофельный сок выполняет роль электролита, а белая мякоть картофеля служит хорошим фоном для обнаружения ионов меди.

12. Автор заметки, безусловно, не знает не только химии, но и состава антифризов и тормозных жидкостей. Воду и этиленгликоль для производства тосола используют не только мошенники, но и вполне честные производители этого продукта. Мошенничество заключалось скорее всего в том, что содержание этиленгликоля в «подпольном» тосоле было значительно ниже нормы, судя по указанной температуре кипения. Антифризы ряда тосола содержат разное количество этиленгликоля и имеют различные температуры замерзания: чем больше этиленгликоля содержится в тосоле, тем ниже температура его замерзания. Тосол А замерзает при температуре –21,5 °С и содержит 37% этиленгликоля, тосолы А-40 и А-65 замерзают соответственно при температурах –40 °С и –65 °С.

Вторая неточность заключается в описании изменений, происходящих с этими растворами при нагревании. Выражение «при нагревании эти растворы выпадают в осадок» абсолютно некорректно с точки зрения химика. При нагревании могут выпадать в осадок не растворы, а растворенные вещества, но в отношении тосола это неверно.

Разберемся, в чем заключалось мошенничество при изготовлении тормозной жидкости. Одно из основных требований к этим жидкостям – достаточно высокие температуры кипения (не менее 115 °С для барабанных и не менее 190 °С для дисковых тормозов). Важны и низкие температуры застывания (–40 °С для умеренного климата и –65 °С для северных районов), причем на вязкость этих жидкостей не должны оказывать влияние изменения температуры.

Все тормозные жидкости – смеси нескольких веществ, в состав некоторых входит и бутиловый спирт (жидкость БСК – смесь бутилового спирта и касторового масла в соотношении 1:1). Чтобы тормозная жидкость отвечала всем перечисленным требованиям, соотношение компонентов при ее приготовлении должно соблюдаться очень точно. Нарушение состава приводит к изменению характеристик жидкости, в том числе и к понижению температуры кипения, что действительно опасно.

13. Этиленгликоль при нагревании расширяется сильнее воды, поэтому нельзя заливать радиатор доверху. Температура кипения этиленгликоля 197,6 °С, и при нагревании тосола из него удаляются пары воды, которую необходимо периодически подливать. Контролировать содержание этиленгликоля в тосоле можно по его плотности (г/см³): тосол-40 – 1,08, тосол-60 – 1,09, чистый этиленгликоль – 1,11. Любой антифриз, кроме этиленгликоля, должен содержать антикоррозионные добавки, массовая доля которых обычно составляет около 3%. При покупке тосола желательно иметь ареометр.

14. При нагревании и неполном сгорании ароматических углеводородов образуются полициклические соединения, нелетучие и термически устойчивые. Эти соединения образуют нагар в головке блока цилиндров, на свечах и поршне.