Skąd ten zapach?

Każdego kto co nieco liznął na temat mechanizmów odczuwania zapachu, musiało zastanowić jak to się dzieje, że wyraźny i charakterystyczny zapach mają substancje zdecydowanie nielotne, jak żelazo, miedź czy kawałek wapienia.

Zapach żelaza
W znanej powieści "Pachnidło" jedną z pierwszych prób uzyskania nietypowych zapachów otoczenia, jest uzyskanie ekstraktu o zapachu miedzianej gałki u drzwi. Gałka była moczona w chłodnym tłuszczu, z którego po zagęszczaniu uzyskał bohater substancję pachnącą właśnie tak jak metal. Nie jest to ze strony autora taka zupełna fantazja, bo metalowe przedmioty z jakimi się często spotykamy, rzeczywiście mają swój specyficzny, metaliczny zapach, porównywany niekiedy do zapachu zaschniętej krwi. Co takiego jednak pachnie, skoro metal i jego tlenki są nielotne?
Jak można zauważyć, woni takiej nabiera metal używany, często dotykany, nie będzie go miał natomiast dobrze oczyszczony. Zapach ten jest w istocie bardziej związany z nasza skórą. Skóra jest w naturalny sposób natłuszczona za sprawą pracy odpowiednich gruczołów łojowych. Łój jest mieszaniną zawierającą między innymi krótkołańcuchowe nienasycone kwasy tłuszczowe. Kwasy te mają to do siebie, że pod wpływem powietrza i światła łatwo utleniają się do nadtlenków, te z kolei pod wpływem jonów metali na niższych stopniach utlenienia, chętnie redukują się, tworząc rozmaite ketony i alkohole. Wśród nich 1-okten-3-on, związek o silnym, łatwo wyczuwalnym zapachu, choć pewne znaczenie mają też inne ketony. Na powierzchni metalu zawsze obecna jest pewna ilość wolnych jonów, zwłaszcza gdy jest pokryty warstewką zabrudzeń; jony reagują z nadtlenkami i metal zaczyna pachnieć. Aby uzyskać podobny efekt, wystarczy nasmarować dłonie niewielką ilością roztworu żelaza II. Dostarczycielem jonów może być też zaschnięta krew, w czym też naukowcy widzą wytłumaczenie dużego wyczulenia naszych nosów na takie związki.

W przypadku stali i żeliwa, pewne znaczenie mają też zanieczyszczenia metalu. Stal zawiera węgiel oraz domieszki fosforu. W obecności wilgoci cząstki węgla stają się półogniwami z pewnym ładunkiem elektrycznym, na których fosfor może utleniać się do fosforowodoru i organicznych fosfin o nieprzyjemnym zapachu, stąd dodatkowa nuta.[1] Zapach ma też duże znaczenie dla wyczuwania metalicznego smaku - w badaniach z ochotnikami, metaliczny smak wyczuwalny dla soli żelaza znikał po zatkaniu nosa, dla miedzi wyniki były niejednoznaczne.[2] Pewne znaczenie dla smaku metalu ma też powstawanie słabych prądów gdy jeden metal, na przykład kawałek folii aluminiowej, zetknie się z amalgamatową plombą.

Swój własny, nieprzyjemny zapach ma natomiast osm, a to z powodu powstawania na powierzchni lotnego czterotlenku.

Zapach kredy...
Zapach mokrej kredy, bądź świeżego wapienia, jest bardzo charakterystyczny. I smaczny. Trudno dokładnie określić dlaczego, ale często miałoby się ochotę zjeść taki kamień. Jedni opisują go jako "mineralny" inni jako "roślinny" ale spotkałem się też ze stwierdzeniami, że naturalny wapień pachnie jabłkiem i pieczonym chlebem. Moje skojarzenia są raczej synestetyczne, bo kojarzy mi się z wyglądem zmąconej wody,  chociaż niedawno jednak stwierdziłem że kreda z kopalni w Mielniku ma miękki zapach mąki.
Niekiedy mówi się, że ochota na zjedzenie kredy, to skutek niedoboru wapnia. Gdyby ta zasada odnosiła się też do innych substancji, musiałbym stwierdzić w swym organizmie przewlekły niedobór czekolady...
Ale właściwie czym pachnie kreda? Kwesta ta nie została chyba zbyt dokładnie zbadana, skoro żadnego "oficjalnego" wyjaśnienia nie znalazłem. Najczęstsze przypuszczenie odnosi się do tego, że zapach ma kreda bądź pyląca się bądź wilgotna. Prawdopodobnie podczas wysychania tworzą się drobne cząstki, które dostając się do nosa wywołują odczuwane wrażenie.
Dlaczego jednak te drobne cząstki miałyby wywoływać takie nietypowe wrażenia? Sama alkalizacja czy obecność węglanów nie wystarczy, skoro soda oczyszczona nie ma takiej woni, zapewne więc znaczenie ma tutaj wapń. Pierwiastek ten jest ważny dla utrzymania równowagi elektrycznej komórek nerwowych, w tym komórek węchowych. W normalnym przypadku poburzenie receptorów na powierzchni komórki węchowej, powoduje napływ do jej wnętrza jonów wapnia i odpływ jonów chlorkowych; powstająca zmiana potencjału tworzy sygnał przekazywany przez nerw. Mogę zatem domniemywać że dostarczenie wapnia bez jonów chlorkowych na powierzchnię z komórkami węchowymi w jakiś sposób zmienia bądź inicjuje ten proces, przez co mózg odczuwa jakby mieszankę wszystkich zapachów. Myślę że byłby to ciekawy temat badań dla jakiegoś biochemika.

... i innych minerałów
Własny, specyficzny zapach posiadać mogą też inne minerały. Siarka rodzima ma charakterystyczny zapach, szczególnie silny przy pocieraniu, biorący się po trosze z oparów siarki jak i z jej tlenków. Podobnie pachnieć mogą minerały siarczkowe jak piryt, co też jest związane z powolnym utlenianiem, w jakimś stopniu może też z powodu wydzielania siarkowodoru. Minerały arsenu, jak arsenopiryt, mają dla odmiany czosnkowy zapach powstający przy rozdrabnianiu i kruszeniu - chętnie wówczas iskrzą - wywołany arsenowodorem i siarczkiem arsenu. Łupki bitumiczne i pewne odmiany wapieni zawierających domieszki substancji organicznych, przy rozłupywaniu dają niemiły zapach siarkowodoru, skąd też doczekały się nazwy śmierdząca kreda (Stinkstone).
Wśród minerałów szczególnym przypadkiem jest Anozonit - minerał fluoru. Zapach jaki wydziela jest ostry i niezupełnie przyjemny; bywa porównywany do zapachu ozonu albo przepalonej elektroniki. Wiadomo że jest to fluoryt, który utworzył się w pobliżu promieniotwórczych skał, których oddziaływanie zaburzyło jego sieć krystaliczną. Przez długi czas sądzono, że zapach jest wynikiem wybijania przez promieniowanie fluoru, który natychmiast reagował z powietrzem w porach minerału, tworząc ostro pachnący fluorek tlenu i ślady ozonu - niedawno jednak odkryto, że przyczyna jest jeszcze bardziej interesująca.
Fluor jest pierwiastkiem tak ogromnie reaktywnym, że Moissan chcąc go po raz pierwszy wyodrębnić, musiał użyć aparatury wykonanej z platyny, bo ze szkłem reagował bardzo szybko. W mieszaninie z powietrzem bardzo chętnie przechodzi w fluorki tlenu i azotu, reaguje z wodą. Dla wszystkich jest więc oczywiste, że nie występuje w naturze w stanie rodzimym. Albo może inaczej - dotychczas dla wszystkich był to fakt najzupełniej oczywisty. Jednak badania jakim poddał anozonit Florian Kraus, powinny zmienić tą opinię.

Postanowił on sprawdzić dawne teorie przyczyn zapachu tego minerału, ale w sposób nie niszczący - rozkruszenie wystawia wnętrze na działanie wilgoci. Dlatego też zbadał kilka kryształków za pomocą spektrometrii magnetycznego rezonansu jądrowego NMR. Ponieważ jądra atomów fluoru posiadają spin i moment magnetyczny, ich sygnały mogą być obserwowane w ten sposób. Wyniki badania pokazały jednoznacznie, że obserwowany sygnał pochodzi od wolnego, cząsteczkowego fluoru, zamkniętego w mikroporach minerału[3]
To zatem co czuć od kryształków, to mieszanka zapachów fluoru, fluorku tlenu i ozonu. Ciekawe swoją drogą co by przyniosło zbadanie pewnej odmiany halitu, która a sprawą bliskości promieniotwórczych minerałów przybrała fioletowawy kolor - efekt taki może dawać stały koloid sodu.

Zapach karbidu
Każdy kto zetknął się z karbidem pewnie zauważył też niemiły zapach tej substancji. Nie każdy jednak zastanowił się, że bezwonny jest zarówno powstający w reakcji acetylen jak i wodorotlenek wapnia.

 CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

W tym przypadku sprawa jest łatwa do wyjaśnienia - karbid wytwarza się prażąc wapień z węglem. Wapień naturalny zawiera domieszki innych niż węglan soli wapnia, a więc siarczanu i fosforanu, które po zredukowaniu zamieniają się w siarczek i fosforek wapnia. Te podczas reakcji z wodą wydzielają siarkowodór i związki fosforowodorowe (głównie difosfina, sam fosforowodór jest bezwonny), pierwszy o zapachu zgniłych jaj a drugie o zapachu zepsutego czosnku.
-------

* http://www.mindat.org/forum.php?read,6,284681,284731
[1] Glindemann D, Dietrich A, Staerk HJ, & Kuschk P (2006). The two odors of iron when touched or pickled: (skin) carbonyl compounds and organophosphines. Angewandte Chemie (International ed. in English), 45 (42), 7006-9 PMID: 17009284  
[2] Harry T. Lawless, Serena Schlake, John Smythe, Juyun Lim, Heidi Yang, Kathryn Chapman and Bryson Bolton (2004). Metallic Taste and Retronasal Smell Chem. Senses, 29 (1) DOI: 10.1093/chemse/bjh003  
[3] http://www.nature.com/news/stinky-rocks-hide-earth-s-only-haven-for-natural-fluorine-1.10992

Anegdoty o chemikach i ich wypadkach

Garść anegdotek o tym, ci się może człowiekowi przydarzyć w laboratorium. Zwłaszcza gdy ten człowiek jest bardzo ciekawski...

Wybuch w gębie
Gdy wcześni chemicy odkrywali nowe substancje, oprócz takich spraw jak wykorzystanie czy możliwość zarobienia na produkcji, interesował ich także wpływ na zdrowie człowieka. Czasem było to dla badacza bardzo szkodliwe - Davy stracił zdrowie przez próby z wdychaniem chloru i gazu świetlnego. Czasem przynosiło pozytywne skutki, jak odkrycie znieczulających właściwości gazu rozweselającego. A czasem...

Francuski chemik i nauczyciel Jean-François de Rozier Pilâtre  zajmował się badaniem procesu oddychania, a ponadto pasjonował się dopiero co odkrytymi lotami balonowymi. Budując swój balon postanowił napełnić go wodorem, zdecydowanie lżejszym od gorącego powietrza, lecz niestety bardzo łatwopalnym. Podczas jednego z pierwszych swobodnych lotów poleciał swym balonem na wysokość trzech kilometrów, lądując 52 kilometry od Paryża, skąd odbywał się start, co było jak na tamte czasy niebywałym osiągnięciem. W tym samym czasie stwierdził, że zawieszone  powietrzu pyły i dymy źle działają na zdrowie, proponując zakładanie materiałowych maseczek - prototypów masek respiratorowych. W którymś momencie dwie pasje się spotkały, i de Rozier postanowił sprawdzić jak wpłynie na niego wdychanie wodoru. Napełnił pęcherz gazem i wziął kilka głębokich oddechów, mieszając gaz z powietrzem. Nie stwierdził jakiś specjalnych objawów.
Faktycznie - gazowy wodór jest nietoksyczny, bardzo słabo się wchłania i jedyne niebezpieczeństwo pojawia się gdy gaz wypiera z pomieszczenia powietrze. Tak więc nic się nie działo. Po zrobieniu kilku wdechów nasz naukowiec postanowił sprawdzić, ile jeszcze jest go w jego płucach i bez zastanowienia dmuchnął na świecę.

"Myślałem, że zęby wylecą mi z korzeniami"

 - pisał potem. Mieszaniny wodoru z tlenem są wybuchowe, o czym niech pamiętają ci, którzy próbują go dziś wykorzystać jako tańszy zamiennik helu do podwyższania tonu głosu. Później de Rozier udoskonalił doświadczenie do formy salonowego pokazu, w którym wydmuchiwał zapalony wodór przez szeroką rurkę, co było bardziej bezpieczne:

Swoistą tragiczną ironią losu jest to, że podczas próby przelotu nad kanałem La Manche w roku 1785, za pomocą balonu o podwójnej czasy, zawierającego komorę na wodór i komorę na ciepłe powietrze, w wyniku wycieku i zapłonu gazu spadł i wraz z towarzyszącym mu Pierre Romainem stał się pierwszą na świecie ofiarą wypadku lotniczego.[1]

Rtęć w oku
Amerykański chemik Thomas Midgley był nieszczęsnym geniuszem. Jak wiadomo, niektóre substancje mają właściwości bardzo korzystne zaś inne bardzo negatywne. I ktoś je kiedyś musiał odkryć. Midgley był akurat odkrywcą dwóch takich substancji, w dodatku szeroko potem rozpowszechnionych - wynalazł zastosowanie dla tetraetylenku ołowiu, używanego jako dodatek przeciwstukowy do benzyny, i freony, używane w chłodnictwie. Ten pierwszy wraz z rozwojem motoryzacji przyczynił się do skażenia ołowiem polowy planety, zaś ten drugi niszczy powłokę ozonową i będzie to robił jeszcze przez kilka następnych dekad. Stąd też został zapamiętany jako jeden z tych, który niechcący o mało nie zniszczyli świata. Wynalazki ekstrakcji bromu z wody morskiej, czy produkcji gumy, która krócej się wulkanizowała, zostały mniej zapamiętane. Ale nie o tym.
Gdy pracował dla Du Pont szukając czynnika chłodzącego, przydarzył mu się przykry wypadek - nadmierne ciśnienie rozerwało zbiornik z gazem, powodując że drobne odłamki metalowej przegrody wbiły mu się w rogówkę oka, wywołując ciągły stan zapalny. Lekarz wyjął co większe kawałki, ale drobnych opiłków nie dawało się usunąć, nie były magnetyczne a przeszczep rogówki nie był jeszcze wtedy znany. Dlatego nie mając innego pomysłu, Midgley poradził sobie w sposób nietypowy - przez dwa tygodnie przemywał oczy czystą rtęcią.
To zaskakujące, ale nie zaszkodziło mu to, bo tą drogą pierwiastkowa rtęć prawie się nie wchłania. Sam Midgley wiele lat później ucierpiał od zatrucia wynalezioną przez siebie pochodną ołowiu. Pod koniec życia zachorował na Polio wskutek czego doznał częściowego paraliżu. Aby zyskać choć trochę samodzielności zbudował z linek i wielokrążków zestaw pozwalający mu na  wstawanie z łóżka. Podczas jednego z takich poranków w 1944 roku zaplątał się w linki, zsunął z łóżka i udusił.[2]

Gdzie się podział fartuch?
Niemiecki chemik Christian Friedrich Schönbein lubił był czasami prowadzić doświadczenia w domu. Oprócz takich odkryć jak wytworzenie ozonu i pierwsze próby z ogniwami paliwowymi, prowadziło to często do zniszczeń w mieszkaniu, dlatego żona zabroniła mu takich rzeczy. Zdarzyło się jednak w roku 1845, że żona musiała wyjechać do krewnych. Upewniwszy się, że jest już daleko, przyniósł do domu trochę chemikaliów, aby móc w spokoju pobadać to i owo. I oczywiście od razu nabroił.
Postawiona na szafce flaszka z mieszaniną kwasów azotowego i siarkowego przewróciła się, zaś żrąca mieszanka wylała się na podłogę. Zalał ją wodą i wytarł dokładnie bawełnianym fartuchem żony, który następnie powiesił przy piecu, aby wysechł. Gdy materiał był już suchy, padła na niego drobna iskierka, od której fartuch buchnął ogniem tak gwałtownie, że w ciągu kilku chwil zgorzał do cna. Zaciekawiony tym powtórzył doświadczenie z innymi kawałkami bawełny, stwierdzając, że pod wpływem mieszaniny kwasów stają się niezwykle łatwopalne. Prędkość spalania tak odkrytej nitrocelulozy była na tyle duża, że można ją było zastosować jako materiał wybuchowy. I faktycznie, pod nazwą bawełny strzelniczej stała się składnikiem prochu bezdymnego, nie powodującego powstawania ogromnych ilości szarego dymu i sadzy, co niejednokrotnie utrudniało prowadzenie bitew. Historia milczy w sprawie prawdopodobnego rabanu, jaki sprawiła mu żona.

Spalanie bawełny strzelniczej

Cóż za smród!
Niektóre związki chemiczne śmierdzą bardzo. Czasem tak, że trudno z nimi pracować - niestety bywa że ktoś mimo to musi, co siłą rzeczy prowadzi do rozmaitych konfliktów z otoczeniem.

Do związków najbardziej smrodliwych należą pochodne organiczne siarki oraz niektóre związki selenu i telluru. Siarkowe merkaptany znane są z silnego zapachu, jako jeden ze składników wydzieliny skunksa. Niejednokrotnie zdarzało się, że zapach nowo otrzymanej pochodnej przekraczał wyobrażenia eksperymentatorów. Gdy w 1936 po raz pierwszy zsyntetyzowano diselenek węgla (analog dwusiarczku węgla, używanego jako rozpuszczalnik) odór był tak silny, że nie tylko ewakuowano laboratorium, ale i pobliską wioskę leżącą po zawietrznej. Praca dotycząca syntezy podobno opisuje tą sytuację bardzo barwnie, ale bez opłat mogłem obejrzeć tylko stronę z abstraktem. aż szkoda.
Gdy w 1889 roku z zakładach chemicznych we Freiburgu próbowano otrzymać tioaceton z cyklicznego trimeru, smród był tak nieziemski, że ewakuowano część miasta, bo mieszkańcy w odległości mili mdleli na ulicach. Zastanawiano się potem jaką właściwie substancję wówczas otrzymano, gdyż produkty były bardziej nawet śmierdzące niż sam tioaceton.[3] Próba powtórzenia doświadczenia doprowadziła do podobnego wypadku w Oxfordzie w 1960 roku. Podobno jedna kropla związku pod dygestorium wystarczała, aby zapach było czuć ćwierć mili od laboratorium.

Merkaptany należą do substancji na które ludzki nos jest najbardziej wyczulony - dla niektórych czułość sięga ilości jednej części na miliard. Ma to uzasadnienie ewolucyjne - powstają podczas gnicia materii organicznej, toteż wyczulenie na nie pozwala wyczuć, że jedzenie jest nieświeże. Wykorzystuje się ten fakt bardzo szeroko do nawaniania gazu ziemnego, który sam w sobie jest bezwonny. to co czuć jako zapach gazu, to w rzeczywistości zapach śladowych ilości tioli. U nas najczęściej używa się do tego tetrahydrotiofenu, na świecie zazwyczaj jest to merkaptan tertbutylowy lub butylotiol. W ilościach używanych do nawaniana zapach nie jest specjalnie nieprzyjemny, natomiast większe ilości potrafią pokazać swą moc. W wyniku wycieku nawaniacza - metylotiolu - z zakładów chemicznych w Rouen, chmura smrodu rozeszła się po całej północnej Francji, zahaczając o Paryż, a po dwóch dniach dotarła do Anglii, będąc wyczuwalną w Londynie.[4] Wedle relacji zapach przypominał połączenie potu, zgniłych jaj i cebuli.
Zresztą może jeden z kolejnych wpisów poświęcę tym najbardziej smrodliwym chemikaliom.

Rozlało się
Praca z niebezpiecznymi chemikaliami wymaga ostrożności a czasem i pewnej ręki. Pół biedy, gdy kropla stężonego kwasu wypali dziurę w fartuchu (zdarzyło mi się kilka razy), a rozbita flaszeczka z roztworem amoniaku zasmrodzi cały pokój, czasem jednak konsekwencje takiego rozlania, mogą być znacznie groźniejsze.
Przekonali się o tym niedawno pracownicy i studenci Politechniki w Hamburgu. Pewnemu studentowi zdarzyło się przewrócić dwa odkręcone pojemniki z rozpuszczalnikiem acetonitrylem, przez co rozlał około ośmiu litrów. Bojąc się konsekwencji zamiast poinformować pracowników i straż, zebrał rozlaną ciecz i wylał do kanalizacji. To czego nie zebrał i to co wydostawało się ze zlewu parowało. A acetonitryl jako bardzo lotny rozpuszczalnik po dostaniu się do organizmu rozkłada się na cyjanek. W efekcie już wkrótce kilku studentów i doktorantów oraz pracowników laboratorium poczuło się źle. Do szpitala trafiło 11 osób, z czego dwóch studentów i czterech doktorantów wylądowało na OIOM-ie.[5]
Gdy kilka lat temu likwidowano jedno z lokalnych laboratoriów SANEPiD-u w bodaj Radzyniu, jedna z pracownic wzięła kilka litrów zbędnego kwasu azotowego, z zamiarem wypalenia chwastów na działce. Kanistry którymi go przewoziła nie były jednak szczelne, toteż w trakcie podróży służbowym samochodem, kwas zaczął chlupotać w bagażniku, przeżerając podwozie.

----------
[1] http://www.ebooksread.com/authors-eng/james-smith/the-panorama-of-science-and-art-tim/page-38-the-panorama-of-science-and-art-tim.shtml
[2] Thomas Midgley Jr. - Biographical Memoir
[3] http://fds.oup.com/www.oup.co.uk/pdf/bt/orgchem/chapter01.pdf
[4] http://www.reuters.com/article/2013/01/22/us-france-gasleak-idUSBRE90L03M20130122
[5] http://www.mopo.de/nachrichten/gift-unfall-an-der-tu-harburg-riesen-schlamperei-im-chemie-labor,5067140,8689786.html

Kilka innych wypadków