Занимательная химия

Помутнение в обоих случаях зависит от одной и той же причины: от наличия соединения углерода с кислородом. Это угольный газ, или более научно - угольный ангидрид. С водой он дает слабую угольную кислоту, но зачастую даже в учебниках химии и самый газ называют углекислым газом, а то и прямо углекислотой.

Следовательно, как при горении, так и при дыхании выделяются одни и те же продукты: вода и угольный ангидрид.

Если бы мы в первом опыте, с которого начались наши беседы, вместо магния взяли ядовитый фосфор[15], то опыт показал бы нам, что только пятая часть воздуха, - кислород, в нем растворенный,- поддерживает горение. Если бы мы имели жестокость поместить под стеклянный колокол, погруженный краями в воду, какую-нибудь живую тварь, она бы задохнулась раньше, чем вода поднялась бы в колоколе. Почему же?

Химический парадокс: являясь сильным ядом в чистом виде, фосфор в его соединениях - необходимая составная часть нашей пищи. Выделив из человеческого организма весь находящийся в нем фосфор в виде желтого фосфора, можно отравить им смертельно 250.000 человек.

Потому что фосфор, жадно соединяющийся с кислородом, перестанет гореть только тогда, когда сожжет весь кислород (то-есть израсходует его на сожжение), а живое существо умрет уже при недостатке последнего.

Должен оговориться: не всякое живое существо. Есть бактерии, дышащие серой; есть живые существа, для которых кислород - яд.

Кислород был впервые получен в чистом виде знаменитым английским ученым Пристлеем в 1774 году.

Имя Пристлея надо присоединить к списку тех многих ученых, которых преследовали попы и контрреволюционеры. Он не скрывал ни своих свободных взглядов на догматы церковников, ни революционных симпатий. И вот, когда он с друзьями праздновал годовщину взятия Бастилии, натравленные попами черносотенцы напали на его дом, разгромили лабораторию, сожгли его рукописи. Спасая свою жизнь, Пристлей бежал, а впоследствии эмигрировал в Америку.

Такое преследование научной мысли происходит и в наше "просвещенное время". На наших глазах в фашистской Германии идет озверелое гонение на ученых, и сжигаются, как в средние века, на площадях труды гениальных мыслителей.

Сотни ученых вынуждены были бежать из Германии, в том числе и Габер, открывший способ использования азота воздуха для синтеза аммиака и оказавший этим колоссальные услуги Германии во время мировой войны.

Реакции экзо- и эндотермические

При взрыве водорода с кислородом образуется вода и освобождается энергия. Чтобы разложить воду на водород и кислород, надо, наоборот, затратить энергию. Реакции, сопровождающиеся выделением энергии, называются экзотермическими, реакции, требующие притока энергии извне, называются эндотермическими.

Если вещества соединяются с выделением энергии, то на разложение на них полученного соединения надо затратить такое же количество энергии, какое выделилось, когда они соединялись. И, обратно, если вещества соединяются, поглощая энергию, то при разложении они столько же ее выделяют.

Отсюда важный практический вывод: многие реакции в общежитии и технике проделываются не для получения новых видов веществ, а для использования энергии, выделяющейся при реакциях.

Печи топят, сжигая горючее, не для того, чтобы превратить входящий в его состав углерод в угольный ангидрид, а водород в пары воды, а для того, чтобы использовать тепло, возникающее вследствие этих реакций.

В гальванических элементах цинк растворяют в кислоте не для получения цинковой соли, а для использования возникающего при этой реакции электрического тока. Химические процессы в технике используют, значит, не только для производства тех или иных веществ, но и для получения света (зажигание спички, горение свечи и керосиновой лампы), тепла (сожжение топлива в печах), механической энергии (взрывы смеси газов в двигателях внутреннего горения), электричества (в гальванических элементах и аккумуляторах) и т.д.

Газ, в котором горит железо

Если бы воздух не содержал азота, а целиком состоял из кислорода, жизнь организмов развилась бы, конечно, приспособившись к дыханию чистым кислородом. Одним был бы опасен такой состав атмосферы: горючестью в ней большинства окружающих нас предметов.

Страшны и сейчас пожары в деревнях и городах с преобладанием деревянных строений, но во много раз больше была бы опасность, если бы воздух не состоял на 4/5 из азота, не поддерживающего горения. В нем тогда горели бы не только уголь и дерево, но и большинство металлов. Сгорели бы легко не одни деревянные избы и дома, но и железные мосты, и рельсы, и гигантские морские суда.

Чтобы показать примеры горючести в чистом кислороде веществ, не горящих или только тлеющих в воздухе, добудем немного этого газа.

Есть много способов выделить его в чистом виде. В технике он получается сгущением воздуха сильным давлением до 200 атмосфер и охлаждением (до - 180°). При испарении такого жидкого воздуха из него раньше всего выкипает азот. Оставшийся кислород представляет собою сильно магнитную жидкость красивого синего цвета. Применяется он для автогенной сварки и резки металлов: сжигая в особых горелках водород в струе чистого кислорода, получают длинное и острое пламя, имеющее температуру в 2000°. Стальное изделие пронизывается им насквозь раньше, чем вся масса металла успеет заметно нагреться; толстые листы котельного железа режутся, как масло ножом.

Рис. 24. Резка металла автогеном

Получают кислород и иначе. Так, окись бария[16] при нагревании присоединяет к себе кислород, обращаясь в перекись бария, а эта последняя при более сильном накаливании вновь его выделяет. В последние годы кислород из воздуха получают подобным способом, только вместо окиси бария пользуются другим, более сложным по составу веществом.

В учебниках химии обычно указывают на получение кислорода разложением окиси ртути или смеси хлорноватокалиевой соли (бертолетовой) и перекиси марганца (пиролюзита). Первый способ пригоден для получения очень незначительных количеств газа, второй не безопасен, и оба требуют сильного нагревания.

Лучше всего иллюстрировать опасность бертолетовой соли, этого невинного лекарства для полоскания горла[17], такой картинкой:

"Случай выделения наибольшего количества кислорода, какое только нам известно, произошел 12 мая 1899 г. на химическом заводе в Сент-Геленсе благодаря тому, что бертолетовая соль случайно слишком нагрелась. Около 150 тонн приготовленной соли, упакованной в бочках, находились на складе в ожидании отправки. Каким-то образом искра от бочки, которую вкатывали в помещение, где кристаллизуется соль, попала в деревянную раму кристаллизационного чана. Дерево это, будучи пропитано бертолетовой солью, было в высокой степени способно к воспламенению. И действительно, вспыхнул страшный огонь, который поднялся вверх, и через несколько минут крыша здания была охвачена пламенем. Тут произошла страшная сцена: невероятный жар, накаляя ряд за рядом тесно сложенные бочки с бертолетовой солью, вызвал выделение огромного количества чистого кислородного газа, который расходился во все стороны. Все деревянные постройки, погруженные таким образом в атмосферу чистого кислорода, горели со страшной силой, так что вскоре все здание раскалилось добела, горя с ослепительным блеском, как в плавильной печи. Наконец, когда кислород не мог уже более достаточно быстро выделяться из боченков, соль взорвалась.

И что за взрыв!.. Два громадных удара, быстро последовавших один за другим, возвестили городу о случившемся несчастии, а клубы черного дыма, поднявшиеся в виде гигантского столба, указывали место взрыва. Весь завод разлетелся вдребезги. Здания и склады сравнялись с землей. Большие передвижные подъемные краны сгорели, как спички. Вершина соседнего газгольдера[18] была разорвана в куски, и около 1/4 миллиона куб. футов пылающего газа взлетело в воздух. Летящие и горящие головни распространяли пожар, который представлял поразительное зрелище огромного столба пламени, со страшным ревом поднимающегося на 500-600 футов в высоту. Удар был столь страшный, что земля заколебалась, как при землетрясении. Дома были снесены, как ветром; на целые мили все стекла были разбиты вдребезги гигантской воздушной волной, тогда как весь город был объят паникой. Пассажиры поезда, который только что подошел к станции, подверглись страшному испытанию: хотя станция находилась далеко от места взрыва, вагоны подпрыгнули на месте, и все стекла были разбиты как будто кем-то нарочно и сразу.

Вероятно, около полутора миллионов куб. футов кислородного газа таким образом сразу вылилось в воздух. Эта катастрофа была простым повторением, только в огромных размерах, одного из приключений, которые происходят со всяким, начинающим практически изучать химию, именно при приготовлении кислорода нагреванием бертолетовой соли"[19].

Не правда ли, лучше кислород добывать как-нибудь иначе, безопаснее? Да!

И я советую получить его действием марганцево-кислого калия на перекись водорода.

Рис. 25. Добывание кислорода

То и другое легко достать в любой аптеке. Крепкий раствор перекиси водорода влейте в колбу с воронкой или двугорлую склянку, всыпьте туда же марганцево-кислого калия и собирайте выделяющийся кислород в цилиндры или бутылки, наполненные водой и опрокинутые отверстием вниз, в пневматическую ванну (рис. 25), - словом, так, как собирали водород. Только, вынимая из ванны сосуды с газом, ставьте их отверстием вверх, прикрывая матовой стеклянной пластинкой, потому что кислород немного тяжелее воздуха.

Горящее железо

Обернув вокруг карандаша тонкую отожженную железную проволоку, насаживают на ее конец кусочек пробки, зажигают последнюю и опускают проволоку в сосуд с кислородом. Можно прямо вколоть свободный конец проволоки в мягкую пробку и закрыть ею склянку с газом. На дне склянки надо оставить немного воды, то-есть, собирая в нее выделяющийся кислород, не вытеснять им из сосуда всю воду. В этом случае окалина (продукты горения железа), получающаяся при сгорании железа, остывает в воде, а иначе дно склянки может лопнуть (рис. 26).

Рис. 26. Горение железа в кислороде

Наберите кислорода в бутыль из темно-зеленого стекла и зажгите в нем ленточку магния (через белое стекло свет будет так ярок, что может повредить глазам).

Влейте в сосуд воды, хорошенько взболтайте с образовавшимся порошком окиси магния и через некоторое время попробуйте, как говорят химики, реакцию жидкости. Несмотря на ничтожную растворимость окиси магния в воде (с образованием гидрата окиси), реакция будет слабощелочная. Лакмусовая бумажка окрасится в синеватый цвет. Это показывает, до чего чуток лакмус к кислотам и щелочам, так как одна весовая часть окиси магния растворяется только в 55.000 частей воды.

Подумайте, как же, значит, ничтожно ее количество в том объеме воды, который находится на дне вашей склянки!

Ошибка Жюля Верна

В романе Жюля Верна "Таинственный остров" есть такие строки: "Затем руда и уголь были размещены чередующимися слоями - слой руды на слое угля и т. д. Теперь, после того как уголь будет зажжен и в кучу станут нагнетать воздух мехами, в ней должны произойти следующие химические процессы: под влиянием обильного притока кислорода воздуха уголь, сгорая, превращается в углекислоту. Углекислота же, воздействуя на руду окиси железа, отнимает от нее частицу кислорода и таким образом выделяет из нее чистое железо".

Ошибся на этот раз Жюль-Верн!

Углекислота, правильнее - угольный ангидрид - предельное соединение углерода с кислородом. Оно от окиси железа отнять кислород не может. В действительности при неполном сгорании углерода образуется окись углерода, которая и отнимает от руды кислород, превращаясь в угольный ангидрид.

Выделяющееся железо не чисто, оно содержит примесь углерода.

Живые мертвецы

Гораздо легче окрасится лакмусовая бумага в синий цвет, если повторить последний опыт, заменив магний калием или натрием. Это очень легкие (легче воды) серебристобелые в свежем разрезе, мягкие как воск металлы, которые, подобно кальцию, приходится хранить в керосине. Они также выделяют из воды водород, но эта реакция идет у них еще энергичнее, сопровождаясь таким нагреванием, что выделяющийся газ загорается, а с ним вместе начинают гореть и сами металлы. Мы не станем проделывать этот опыт и вам не порекомендуем, - он зачастую сопровождается небольшим взрывом, который опасен тем, что едкая жидкость может брызнуть в глаза и причинить непоправимое несчастье. Я сейчас хочу показать другой опыт.

Осторожно, не касаясь натрия руками, вынув его пинцетом из баночки, отделяю ножом кусочек величиной в мелкую горошину, удаляю с него керосин пропускной бумагой, кладу металл в железную ложечку, нагревая в пламени спиртовой лампочки.

Натрий загорелся, и я опускаю его в цилиндр с кислородом[20] (рис. 27). Металл горит ярким пламенем.

Рис. 27. Горение натрия

Взгляните на мое лицо, посмотрите друг на друга. Какие у всех нас страшные, темные лица "мертвецов".

Оглянитесь вокруг. Куда делись яркие краски обстановки? Как бедна окраска всех окружающих нас предметов!

Таково действие лучей горящего натрия.

Я обещал вам сказать, что такое основания.

Начать с того, что слово это является примером многих слов, переживших свое значение. До Лавуазье, выяснившего различие между сложными и простыми веществами, в науке господствовала удивительная гипотеза флогистона, таинственного флюида (истечения), менявшего свойства тел и их тепловое равновесие. Металлы считались соединением землистых веществ, из которых они выплавляются, с флогистоном. Самые вещества эти принимались за простые тела, "основания" металлов. В действительности это были окислы их, продукты соединения металлов с кислородом.

Когда защитникам флогистона указывали на факты, противоречащие их гипотезе, они отвечали: "тем хуже для фактов", а на замечание, что руда всегда весит больше, чем выплавляемый из нее металл, говорили: "значит, флогистон имеет отрицательный вес".

Мы называем основаниями кислородные соединения металлов, дающие с кислотами соли.

Не все металлические руды - окислы, и не все окислы металлов - основания.

Один и тот же элемент, в зависимости от степени окисления, может давать окислы и основного и кислотного характера. Так, мы еще встретимся в наших дальнейших опытах с солями железа, в которые этот элемент входит и как металл, и как металлоид.

Наиболее резко выраженными основаниями являются окислы щелочных металлов и нашатырный спирт.

Последний, как вы знаете, представляет раствор аммиака в воде, а аммиак (мы еще познакомимся с ним поближе) - это газ, состоящий из азота и водорода.

Только самые новейшие исследования над строением атомов указывают на совершенно иные определения понятий оснований и кислот, чем принятые в наших учебниках, но здесь не место о них говорить.

Кстати, о словах и понятиях. Слово "кислород" тоже не из самых удачных, так как хотя окислы металлоидов и дают, растворяясь в воде, кислоты, но кислоты, да еще такие сильные, как соляная, могут и не содержать в себе кислорода.

Любопытная деталь. Латинское название соляной кислоты - acidum muriaticum. Хлор, в ней заключающийся, считали окислом неизвестного элемента мурия, не желая верить, что может существовать кислота, не содержащая кислорода...

Химия неба

Помните - в самом начале книги я сказал о химии, что "она научила нас познавать состав небесных тел и даже определять их возраст"?

Это было сказано не ради красного словца. Ученые, действительно, нашли способ узнавать, какие элементы входят в состав небесных тел, а по составу могут судить и об их возрасте.

Началось это с изучения света, излучаемого горящим натрием.

Раскаленное добела твердое тело дает при разложении его лучей призмой сплошной семицветный спектр. Если пропустить эти лучи через пары натрия, то спектр оказывается как бы перерезанным несколькими черными линиями. Наиболее заметная, характерная для натрия линия перерезывает желтую часть спектра как раз там, где сам горящий натрий, бросающий лучи света через спектроскоп, дал бы ярко-желтую черту.

Пламя каждого элемента дает не сплошной спектр, а прерывистый, состоящий из отдельных цветных полос.

Внимательно рассматривая спектр Солнца, растянутый в длину, нашли в нем темные линии (фраунгоферовы линии), совершенно точно совпадающие с линиями, свойственными натрию.

Что же это может означать другое, как не то, что в солнечной сфере находятся пары натрия?

В дальнейшем, сначала в спектре Солнца, а затем и других звезд, были найдены линии, характерные для других земных элементов. Но в их спектрах имеется немало и таких линий, которые не соответствуют известным нам веществам. Часть их ученые даже окрестили заочно и по месту линий в спектре определили приблизительный характер этих внеземных элементов. Таковы: гелий, короний, небулий[21] и другие. Прекрасным доказательством, что такое определение веществ, находящихся от нас на головокружительных расстояниях в миллиарды миллиардов километров, не простая фантазия, а величайшее достижение человеческой мысли, служит история открытия гелия. После того как он был найден спектроскопом на Солнце, его удалось найти и на Земле. Иначе сказать, когда некий новый элемент был найден в земных минералах, его спектральные линии с точностью совпали с линиями гелия. Значит, это и был гелий! Найден он и в водах некоторых источников, например, у нас на Кавказе и в Поволжьи, и в количествах 0,000001-0,000002 долей объема входит в состав воздуха.

Небесные тела по их спектрам делятся на состоящие из водорода и других газов, - это наиболее молодые; затем заключающие в своем составе пары металлов, - группа более старая; и наконец, содержащие углерод, - самые старые.

Конечно, этот "возраст звезд" зависит не только от времени, протекшего со дня их образования, но и от их размеров. Чем крупнее небесное тело, тем дольше остается оно "молодым"; чем меньше его масса, тем ранее оно успевает "состариться".

Эти же наблюдения над спектрами звезд, а, следовательно, над их составом, показывают нам, что 92 известных нам элемента не представляют соответственного количества абсолютно неизменяемых первичных форм материи. С течением времени, измеряемого, быть может, миллионами наших земных лет, "водородные" звезды превращаются в звезды "металлические". Откуда же берутся в них эти металлы? Когда-нибудь астрономия, физика и химия совместно решат нам и эту задачу, и мы разгадаем тайну образования элементов, как уже начали разгадывать тайну их строения.

Смещение спектральных линий элементов, наблюдаемое при изучении спектров так называемых "неподвижных" звезд, к красной или фиолетовой части спектра указывает на направление их движения - к нам или от нас. Величина же этого смещения позволяет определить скорость движения звезды.

Вот к каким удивительным следствиям привел ученых простенький опыт горения натрия, который мы с вами проделали.

Удивительная наука химия!

Куда делся кусочек угля?

Опустим в сосуд с кислородом на железной ложечке кусочек раскаленного докрасна угля. Он вспыхнет и сгорит без остатка ярким пламенем. Ни дыма, ни твердой окиси, как после горения металлов, в сосуде не останется. Уничтожение материи?..

Нет! Лавуазье более ста лет тому назад доказал, что вещество не уничтожается никакими реакциями, что меняются только его свойства.

Можно проделать этот опыт, помещая герметически закрытый сосуд с кислородом на чашку весов. До и после сожжения в нем угля вес его остается тот же. Сгорая, уголь соединился с кислородом и образовал невидимый углекислый газ. Его присутствие можно обнаружить, переливая газ в сосуд с горящими огарками (рис. 28). По мере того как сосуд наполняется угольным ангидридом, огарки гаснут один за другим, начиная от самого маленького и кончая самым высоким.

Рис. 28. Угольный газ гасит пламя свечи

Мы также уже знаем, что от этого газа мутнеет известковая вода[22]. Почему?

Потому что газ, соединяясь с известью (гидратом окиси кальция), дает нерастворимую в воде углекислую известь.

Мы видели, что такое же помутнение известковой воды происходит, если продувать через нее воздух, выдыхаемый нашими легкими. Вы представляете себе все то количество угля, которое почти 2 миллиарда людей, обитающих на Земле, ежегодно выдыхают в виде угольного газа? Вероятно - нет.

Ну, так я скажу вам, что оно равно 156 миллиардам килограммов угля, который, будучи собран воедино, образовал бы куб с ребром более чем в 440 метров! (рис. 29).

Рис. 29. Сколько угля выдыхает ежегодно все человечество

"А ведь это не менее, чем 1/7 всей годовой мировой добычи угля, который мы также обращаем в углекислый газ, сжигая в заводских и домашних печах и, следовательно, вводя его состав атмосферы. А каковы заводские печи в наше время, видно из того, что домны Магнитогорска расходуют столько же воздуха, сколько вдыхают его все жители Ленинграда.

Добавьте сюда газ, выдыхаемый всеми другими живыми существами всего света. А его истечение из земли!

В 1783 г., при извержении угольного ангидрида одним из вулканов Исландии, газом было задушено 9.000 человек и 239.000 голов домашнего скота.

Из почвы он выделяется почти повсеместно; от него чаще всего задыхаются рабочие, спускаясь в глубокие колодцы и погреба. Свеча, опущенная в такое скопление газа, гаснет. Угольный ангидрид не так ядовит, как хлор или окись углерода, но все же в больших дозах парализует головной и спинной мозг.

Попутно интересное замечание: земля дышит. Дышит, как живые существа, воспринимающие кислород всей поверхностью своего тела и через нее удаляющие угольный ангидрид.

Но на ряду с процессами выделения углекислого газа в природе идет непрерывный процесс его разложения. Освещенные солнцем зеленые части растений поглощают из воздуха угольный газ и выделяют в него обратно кислород. Они питаются этим газом, как мы питаемся ими самими и трупами животных. Затем воды морей и океанов ежегодно растворяют в себе большие количества угольного ангидрида, не насыщаясь им, так как мириады живущих в глубине их вод организмов поглощают этот газ, вводя его в состав своих панцирей. Мел и известняк образовались из остатков несметного числа таких некогда живших организмов и продолжают и поныне образовываться на дне океанов.

Проходят миллионы лет, - миг в жизни земного шара, - и там, где бушевали морские волны, возникает суша и выносит на поверхность известковые отложения океанов. Прообразующие процессы сжатием и повышением температуры превращают их строение в кристаллическое. Мрамор, из которого была изваяна Венера Милосская, был некогда известковым панцирем морских фораминифер (микроскопических корненожек)...