Помоги проекту - поделись книгой:
Три "кита" химии
Исследуя вещества, из которых состоит окружающий нас видимый мир, ученые разделили их по сходным признакам на группы.
Громадное большинство этих веществ удалось разложить на более простые, но часть их до самого последнего времени никак не поддавалась такому разложению, и им приписывалась абсолютная элементарность состава. Считалось, что все металлы и часть неметаллов являются теми "кирпичами мироздания", из которых построена вселенная.
Однако, с 1919 года, когда одному английскому ученому удалось доказать сложность состава азота[6], наше представление о делении веществ на простые и сложные значительно изменилось.
К этому делению я еще вернусь в дальнейшем, а пока укажу, что среди веществ, заведомо сложных, выделяются три группы, имеющие особо важное значение для прикладной химии: кислоты, основания и соли.
Народная фантазия представляла Землю стоящей на трех китах. Наука давно освободила китов от этой непосильной для них задачи и предоставила Земле свободно нестись в мировом пространстве.
"Три кита химии", напротив, все еще несут свою службу, поддерживая стройную систему классификации веществ.
Из кислот вы, вероятно, ближе всего знакомы с уксусной, которой столовый уксус обязан своим вкусом. Возможно, что слыхали и о других кислотах пищевых веществ: молочной, яблочной, лимонной и пр. Из минеральных кислот, вероятно, знаете серную, а может быть еще азотную и соляную.
Растворимые кислоты окрашивают раствор лакмуса (растительной краски, добываемой из некоторых лишаев) или пропитанную ими бумажку в красный цвет. Все они содержат в своем составе элементы неметаллического характера (так называемые металлоиды).
Определять, что такое основания, пока не буду; я объясню вам это понятие несколько позже. Пока удовольствуемся сведением, что легко растворимые в воде основания (щелочи) имеют характерный "мыльный" вкус и окрашивают лакмус в синий цвет.
Вообще, как кислоты, так и щелочи меняют цвета многих красок, и притом не одинаково. Эта способность их даст нам богатый материал для проделывания очень эффектных опытов - химических фокусов.
При соединении кислот с основаниями образуются соли. Характерным примером последних будет хорошо вам знакомая обыкновенная поваренная соль, давшая свое название этому классу соединений. Однако, не все соли солоны на вкус. Между ними есть и горькие (применяемая как лекарство сернокисломагниевая соль так и называется горькой солью), есть и сладкие (уксусно-кислосвинцовая не даром носит название свинцового сахара). Не вздумайте только пробовать их на вкус!
Все соли способны образовывать кристаллы, и многие из них не действуют на лакмусовую бумажку, - многие, но далеко не все.
Соли далеко не всегда бесцветны, как поваренная соль: многие из них окрашены. Соли могут вступать в химическое взаимодействие друг с другом, причем в некоторых случаях из растворимых солей получаются нерастворимые, из бесцветных - окрашенные, из солей одного цвета - соли другого цвета. Реакции, при этом происходящие, называются реакциями обменного разложения.
На этих свойствах солей основана целая серия поразительных опытов-"фокусов", которые я вам собираюсь показать. Но гораздо важнее то, что на тех же свойствах держится техника производства кислот и оснований, солей, красок и крашения пряжи и тканей и других химических производств.
Самая нужная кислота
Крайне благоприятным обстоятельством для развития химической промышленности является тот факт, что самая важная из всех кислот является и самой дешевой.
Это - серная кислота.
Количество серной кислоты, вырабатываемое в той или иной стране, является показателем развития в этой стране химической промышленности вообще.
Еще бы! Без серной кислоты химик "как без рук". Она необходима для получения большинства других кислот, как минеральных, так и органических, очень многих солей и других химических соединений. Она применяется для превращения древесины в газетную бумагу, для превращения крахмала в сладкую патоку, для получения многих красок и взрывчатых веществ, для очистки нефтяных продуктов, в технологии черных и цветных металлов, в коксобензольном и кожевенном производстве и в ряде других производств. И, главное, при ее посредстве получаются ценные удобрения - суперфосфаты, на что уходит почти одна треть всей вырабатываемой у нас серной кислоты.
И вот этой-то необходимейшей кислоты в царской России производилось в 10 раз меньше, чем в США.
Советская власть, приступая к созданию у нас мощной химической промышленности, в первую очередь озаботилась всемерно развить производство серной кислоты. С 250 тыс. тонн в дореволюционное время до 1800 тыс. тонн в 1937 г. - вот каков рост сернокислотного производства. Увеличение продукции более чем в 7 раз. Таких темпов капиталистическая техника не знает!
Катализаторы химических реакций
Не все реакции соединения идут так гладко, как показанное вам мною соединение хлористого водорода с аммиаком; во многих случаях вещества, могущие соединяться друг с другом, либо вовсе "не хотят" соединяться, либо соединяются крайне медленно.
В этих случаях прибегают к так называемым контактным реакциям (реакциям соприкосновения), происходящим при посредстве особых веществ - катализаторов, не входящих в состав конечного продукта реакции и остающихся по окончании реакции неизмененными.
Получение серной кислоты и является как раз примером таких контактных реакций.
Серная кислота получается соединением серного ангидрида с водой. Серный ангидрид получается, в свою очередь, присоединением атома кислорода к молекуле сернистого ангидрида.
С серой и сернистым ангидридом нам еще предстоит в дальнейшем познакомиться, а пока скажу, что сера, сгорая на воздухе, дает газообразный сернистый ангидрид, молекула которого состоит из одного атома серы и двух атомов кислорода. Серный же ангидрид - тело твердое, в молекуле которого имеется третий атом кислорода. Задача катализаторов - присоединить этот третий атом кислорода к молекуле сернистого ангидрида.
Решается она двояко: либо в свинцовую камеру вместе с сернистым ангидридом и парами воды вводят небольшое количество окислов азота, либо в камеру помещают губчатую платину. Первые отдают свой кислород сернистому ангидриду, а сами снова окисляются кислородом воздуха, вторая, сгущая на своей поверхности кислород, окисляет сернистый ангидрид в серный.
Сейчас в нашей химической промышленности широко пользуются катализаторами для получения весьма многих, преимущественно органических, соединений. Дореволюционная химическая промышленность использовать такие реакции не умела, да и самих производств, в которых они применяются, тогда не было.
Глава II. Превращение жидкостей (реакции обменного разложения)
Обстановка "магического кабинета", где я собираюсь демонстрировать вам серию опытов, подтверждающих перечисленные выше свойства "трех китов химии", весьма несложна. Стол, пара совершенно одинаковых бутылок из бесцветного стекла, полдюжины тонкостенных чайных стаканов - вот и все, что пока мне понадобится.
Стол может быть заменен низеньким шкафом с раскрытыми дверцами, либо обыкновенным столом с табуретом или перевернутым вверх дном ящиком под ним. В последнем случае пространство между верхним краем стола, обращенным к зрителям, и полом должно быть закрыто свесившейся со стола скатертью.
Стаканы, если не гнаться за сценичностью опытов, можно заменить пробирками (рис. 5) - открытыми цилиндриками с тоненькими стенками, применяемыми в лабораториях.
На скрытой от взоров зрителей полке стола-шкафа помещаю запас реагентов (химических веществ, нужных для опытов): твердых - в баночках (рис. 6), растворенных - в склянках (рис. 7).
Те и другие - с притертыми стеклянными пробками; на тех и других наклеены ярлычки с названиями веществ, в них содержащихся. Тут же в углу, на всякий случай, - противоядия против некоторых ядовитых веществ, без которых в этой серии опытов не обойдешься[7].
Сядьте невдалеке против стола и смотрите внимательно: я начинаю.
Молоко... из воды
У известного американского писателя Брет-Гарда в повести "История одной руды" есть такая сценка:
"Незнакомец обмакнул в склянку сухую былинку и стряхнул с нее каплю в воду. Вода осталась такой же чистой и прозрачной, как прежде.
- Теперь брось туда щепотку соли.
Кунго повиновался. В ту же минуту на поверхности воды показался беловатый пар, и вся вода стала молочного цвета.
- Это колдовство! - воскликнул Кунго.
- Это хлористое серебро! Неуч!"
Какая реакция описывается здесь романистом и верно ли она описана?
Следующий опыт даст вам ответ на эти вопросы.
На столе пустой стакан. Можете осмотреть его, - в нем нет ничего магического; стакан как стакан.
Два таких же стакана, наполовину налитых каждый, насколько можно судить по виду, прозрачной чистой водой, держу в правой и левой руке.
Я сливаю воду из обоих стаканов одновременно в стакан, который стоит на столе (рис. 8).
Чудеса! Лил воду, а стакан наполнился... молоком.
Но стоит подождать несколько минут, и иллюзия рассеивается - густой белый творожистый осадок опускается на дно стакана, а вода над осадком снова становится прозрачной.
Поэтому, если, повторяя мой опыт, вы не захотите испортить его эффект, немедленно прячьте стакан с "молоком" в стол и переходите к другим фокусам. Я же открою вам секрет превращения.
В стаканах, которые я держал в руках, была налита не вода, а прозрачные водные растворы: в одном - обыкновенной поваренной соли (хлористого натрия), в другом - ляписа (азотнокислого серебра). Имейте в виду, что ляпис ядовит, обращайтесь с ним с особенной осторожностью, в руки не берите, вынимайте его из баночки, в которой храните, пинцетом (рис. 9); баночка должна быть из темного стекла, так как на свету ляпис разлагается. На этом, между прочим сообщу вам, и основано его применение в фотографии. Растворять азотнокислое серебро необходимо в перегнанной (дистиллированной) воде, купленной в аптеке, так как в обыкновенной воде оно дает муть.
При сливании растворов произошла химическая реакция (взаимодействие) - соли обменялись металлами, входившими в их состав. Получились: хлористое серебро, нерастворимое в воде и вскоре осевшее в виде снежно-белого осадка, и азотнокислый натрий (селитра), оставшийся в растворе. В последнем нетрудно убедиться, если, осторожно слив жидкость с осадка, выпарить ее в фарфоровой чашечке на спиртовой лампе. Когда вода выкипит, на дне останутся кристаллики селитры.
Маленькое замечание практического характера: оттого-то и нельзя растворять ляпис в водопроводной воде, что самая, казалось бы, чистая и на вкус совершенно пресная вода содержит всегда в растворе хотя бы следы поваренной соли. В лабораториях пользуются описанной реакцией для определения количественного содержания в воде хлористого натрия. Осадив его полностью из отмеренного количества испытуемой воды, осадок высушивают и взвешивают. Химические соединения, в отличие от простой смеси веществ, происходят лишь при наличии строго определенных весовых отношений между составляющими их веществами. Зная вес образовавшегося хлористого серебра, химик умеет вычислить, какое количество соли было в испытуемой воде.
Вода и вино в одной бутылке (Химические индикаторы)
А теперь, если хотите, я могу налить вам либо вина, либо воды, по вашему указанию, из... одной и той же бутылки.
Пожалуйста, осмотрите ее перед началом опыта.
Это убедит вас, что в бутылке не вино, а самая обыкновенная вода.
Вы просите налить вина.
Наполняю из бутылки один из стоящих передо мною стаканов, и по красивой окраске жидкости вы можете судить что перед вами красное вино.
Но мне хочется выпить воды. Я переливаю вино в другой стакан, и оно снова превращается в воду (рис. 10).
Но пить воду эту нельзя. И вот почему.
В бутылку налита действительно простая вода, но к ней было предварительно прибавлено несколько капель раствора фенолфталеина (ядовит!). На дно первого стакана я налил еще до начала опыта немного крепкого раствора соды, на дно второго - такой же раствор виннокаменной кислоты.
Фенолфталеин краснеет в щелочах и солях с преобладающими щелочными свойствами. Сода (углекислый натрий) как раз и есть такая соль. Она образована очень слабой угольной кислотой и резкой щелочью - едким натром. Кислоты разрушают эту окраску, поэтому при переливании окрасившегося от соды раствора в стакан с виннокаменной кислотой он снова обесцветился.
Кстати, о фенолфталеине.
Он постоянно применяется в химических лабораториях, служа для указания появления и исчезновения щелочной реакции растворов в так называемом объемном анализе веществ. Как и лакмус, он, следовательно, является химическим индикатором, то-есть указателем реакции.
Заменяя фенолфталеин другой искусственной органической краской - метилоранжем, дающим желтую окраску в щелочах и красную в кислотах, можно в нашем опыте налить из бутылки с водою в один стакан белого вина, в другой - красного, а в третий - чистой воды.
Но и в этом случае пить налитые "вина" нельзя!
Превращение воды в чернила и обратно
Передо мною две бутылки - одна с водою, другая - пустая, и четыре стакана. Лью в них воду из бутылки, и вы видите, что в четных по порядку стаканах она превращается в чернила, а в нечетных остается сама собою.
Отлейте немного полученных чернил в пузырек и при случае удостоверьтесь, что ими отлично можно писать.
Беру пустую бутылку и сливаю в нее содержимое из всех стаканов. Встряхиваю бутылку, взбалтываю жидкость. Как видите, бутылка полна чистой воды. Чернил как не бывало!
Чтобы показать вам этот фокус, я предварительно в воде первой бутылки растворил с пол-ложки таннина. Таннин - это сложное дубильное вещество, заключающееся в так называемых чернильных орешках, наростах на листьях дуба, происходящих от повреждения их особыми насекомыми (орехотворками). В состав его входит органическая дигалловая кислота. В четные стаканы я тоже заранее прилил по нескольку капель крепкого раствора хлорного железа. С этим соединением, как и с другими солями железа, таннин дает железо.
В бутылку, казавшуюся вам пустою, было мною налито на дно немного крепкого раствора щавелевой кислоты (ядовита!).
Совершенно таким же образом можно показать превращение воды в красные чернила и, наоборот, красных чернил в воду, заменив раствор таннина раствором салицилового натрия (лекарство против лихорадки). С ним, как видите, могут иметь дело не только больные, но и здоровые.
Первые применяют его для лечения, вторые - для развлечения и поучения.
Мнимая ошибка физиков (Обесцвечивание хлором)
Физика учит, что при смешении синего и желтого цветов получается составной зеленый цвет. В том же убеждены все живописцы. А между тем я легко могу доказать вам, что такое утверждение ошибочно. Синий и желтый - дополнительные цвета, взаимно уничтожающие друг друга. Растворы синей и желтой краски при сливании дают бесцветную смесь.
Смотрите сами. В этом стакане, как видите, синяя жидкость, в этом - желтая. Выливаю их в третий стакан. Перед вами прозрачная вода: синий и желтый цвета уничтожили друг друга...
Почти уверен, что вас я не введу в заблуждение и вы сами разгадаете тайну такого "нарушения" законов оптики; но кто еще не видел показанных мною раньше опытов, тот, пожалуй, будет поставлен этим опытом в тупик.
Вы говорите, что в первом стакане у меня был щелочный раствор лакмуса, в другом - такой же раствор метилоранжа, а в третьем, куда я слил содержимое двух первых, - хлорная вода.
Вы правы: так оно и было!
Вода - в молоко, молоко - в воду (Обратимость химических реакций)
Мы уже видели, что можно превратить воду в молоко, получая при сливании бесцветных растворов двух солей белый взвешенный в воде осадок.
Могу показать теперь и другой способ получения такого "химического молока", в отличие от ранее полученного, могущего превращаться снова в воду.
Вы уже настолько посвящены мною в секреты превращения различных жидкостей друг в друга, что нет надобности показывать вам этот опыт; достаточно будет, если я расскажу вам, как его надо проделать.
Возьмите два совершенно одинаковых графина. Налейте наполовину один из них прозрачным бесцветным раствором соды. Другой графин, со слабым раствором соляной кислоты, спрячьте на полке нашего "магического" стола. Не забудьте, что уровень жидкости в нем должен быть соответственно ниже, чем в первом, так как из первого вам придется часть раствора отлить. На стол поставьте стакан, наполовину наполненный раствором хлористого кальция. Все названные жидкости бесцветны, прозрачны и по внешнему виду ничем не отличимы от чистой воды.
Поделиться книгой: