Занимательная химия

Из этих-то соединений углекислый газ, пребывавший в них связанным со времени, предшествовавшего появлению на Земле первого человека, и будет сейчас мною выделен.

Глава V. "Нечто невидимое" и опыты с ним

Один знаменитый астроном назвал гигантские хвосты комет, перед которыми весь наш земной шар кажется чуть ли не песчинкой, "видимое нечто": так ничтожна масса этих хвостов в сравнении с их размерами.

Наоборот, все бесцветные газы могут быть названы "нечто невидимое", так как мы, хотя и не воспринимаем их зрением, но легко можем обнаружить их материальную природу.

Рис. 30. Добывание углекислого газа

Чтобы добыть одно из таких "нечто невидимых", в количестве, достаточном для опытов, я в колбу с газоотводной трубкой бросаю кусочки мела, обливаю их слабой соляной кислотой и через газоотводную трубку (рис. 30) отвожу выделяющийся углекислый газ в открытый сосуд совершенно так же, как если бы наполнял его через трубку водою.

Углекислый газ почти в полтора раза тяжелее воздуха, в малых количествах не вызывает затруднения дыхания, а потому и допускает такое упрощенное собирание. Он вливается в сборный сосуд, как вливался в него хлор, и не беда, если и перельется через край, чего о хлоре сказать нельзя.

"Таинственный" опыт с весами

Приверженцы тайных знаний, оккультисты, утверждали, будто человек силою воли может нарушать законы тяготения, будто, помещая руку ладонью вниз над чашкой весов, он, по желанию, заставляет ее подниматься вверх и опускаться вниз. Это, конечно, чушь, а вот я действительно могу, не прикасаясь к весам и как-будто ничего не добавляя на одну из чашек, заставить ее опуститься вниз.

Рис. 31. «Таинственный» опыт с весами

Только тут нет никакого "волшебства". Просто я взвешиваю "нечто", хотя и невидимое, но вполне материальное и, следовательно, как и всякая материя, имеющее вес. Перед нами простые, но довольно чувствительные весы (их можно заменить весами для писем) и пустой стакан, поставленный на одной чашке и уравновешенный гирями на другой. "Налив" в другой стакан угольного ангидрида из прибора, в котором он у меня получается, переливаю газ в стакан, подвешенный на весах. Коромысло весов склоняется, стакан опускается вниз (рис. 31), продолжая, по-видимому, оставаться пустым. Он, конечно, не пуст, да и раньше не был пустым. Сначала он был полон воздухом, а теперь наполнился угольным ангидридом. Последний более тяжел, оттого и нарушилось равновесие весов.

Природа - архитектор

Мы видели, что углекислая известь растворяется в кислотах. Добавляю, что даже в такой слабой, как угольная.

Опускаю газоотводную трубку от аппарата, в котором получается углекислый газ, в сосуд с известковой водой, - раствор мутнеет. Продолжаю дальше и дальше пропускать через него газ. Смотрите. Постепенно муть исчезает, и вот жидкость снова стала прозрачной.

Угольный ангидрид сначала связал всю растворенную известь в нерастворимую углекислую, а эта последняя с избытком угольного газа образовала двууглекислую известь, вновь перешедшую в раствор. Переливаю этот раствор в колбочку и нагреваю. Замечаете выделение пузырьков газа и вторичное помутнение жидкости?

Производя этот любопытный опыт, мы в малом масштабе воспроизвели одно из великих явлений природы. Воды подземных источников, насыщенные углекислотою, проходя по известковым породам, выщелачивают их и несут в растворе двууглекислую известь. Выходя на поверхность или просачиваясь в пещеры, они теряют углекислоту, выделяя углекислую известь в виде пористого туфа или натеков причудливых форм, строя подземные дворцы и пещеры.

Не менее важен этот процесс и для техники.

Всем нам знакома накипь внутри самоваров, образуемая жесткой, то-есть содержащей в растворе известковые соли, водой. Такая же накипь образуется в паровых котлах. Так как ее теплопроводность значительно меньше, чем металлических стенок котла, то и расход топлива в котле, имеющем накипь, больше, чем в чистом. Но такое загрязнение котла не только снижает полезную работу котла и машин, - оно крайне опасно. Нагревшись, накипь дает трещины; вода, коснувшись раскаленных стенок котла, мгновенно обращается в пар высокого давления и разрывает котел на части.

Взрыв паровых котлов - явление, увы, далеко не редкое и часто влечет за собою немало человеческих жертв.

Величайшим из взрывов, известных в истории техники, был одновременный взрыв двадцати двух соединенных между собою паровых котлов в ночь на 25 июля 1887 г.

Мне случайно пришлось видеть последствия этого взрыва. Он произошел в Фриденсхютте, в Силезии.

Сила взрыва была ужасна. Достаточно сказать, что камни котельного помещения, куски котлов и части трупов погибших при взрыве людей были разбросаны по радиусу около полутора километров...

Одним из способов для устранения накипи является предварительная очистка и подогревание воды, питающей паровой котел, и другие меры. К сожалению, они устраняют не все "накипеобразователи". Универсального средства для предупреждения образования накипи мы пока не имеем.

Плавающие пузыри

Рис. 32. Плавающие пузыри

Наполните какую-нибудь миску или невысокий и широкий стеклянный сосуд до половины углекислым газом и займитесь выдуванием мыльных пузырей. Стряхивайте их осторожно с соломинки на поверхность тяжелого газа (рис. 32). Они будут им поддерживаться, не опускаясь на дно сосуда. Для постороннего зрителя, не знающего, в чем дело, такое висение мыльного пузыря в "воздухе" кажется совершенно непонятным. Еще менее понятным кажется тот факт, что пузырь, сброшенный вами с большой высоты в миску, упав в нее, подпрыгнет вверх. Вы-то, впрочем, знаете, в чем дело: это он отталкивается от поверхности углекислого газа, как мяч отталкивается вверх, упав на пол. Однако, быть может, и вас, а тем более ваших товарищей, смотрящих на ваши опыты, изумит постепенное увеличение пузыря, висящего в сосуде. Если пузырь "долговечен" и в течение двух-трех минут не лопнет, то он раздуется и погрузится на дно сосуда. Происходит это от проникновения (диффузии) сквозь его оболочку угольного газа. Газ увеличивает объем мыльного пузыря, но одновременно делает шар более тяжёлым.

Отчего стреляет пушка

В толстостенную бутылку до половины наливаю тепловатой воды. Отдельно заворачиваю в пропускную бумагу столовую ложку двууглекислой соды и столько же виннокаменной кислоты. Бросаю пакетики в бутылку и быстро закупориваю ее заранее подобранной плотно входящей в ее горло пробкой. Встряхиваю бутылку.

Бах! Пробка летит в потолок, пенящаяся жидкость вылетает из горла бутылки.

Опыт, как видите, весьма несложен, а выводов из него можно сделать на целую страницу.

Во-первых, двууглекислая сода отличается от обыкновенной (углекислого натрия) большим содержанием угольного ангидрида. Такие соли носят название кислых.

Во-вторых, вытесняемая из соли виннокаменной кислотой углекислота не растворяется в теплой воде, а бурно выделяется и выбивает пробку. Именно поэтому "убегают" квас и другие шипучие напитки, если их откупоривают недостаточно холодными, рвут пробку в потолок, а иногда, находясь в теплом месте, разрывают и самые бутылки.

В-третьих, угольный ангидрид активизирует деятельность органов пищеварения, почему и пьют естественные "минеральные" воды, богатые угольным газом, и готовят искусственные шипучие напитки. В последних угольный газ либо развивается в результате естественного химического процесса - брожения[23], как это имеет место в квасе, пиве и вине; либо выделяется, как в нашем случае, при взаимодействии двууглекислого натрия с виннокаменной или лимонной кислотами, безвредными для здоровья; либо, наконец, вводится в них извне под давлением.

А в-четвертых, пробка вылетает из бутылки потому, что из твердых соединений, занимавших небольшой объем, сразу выделилось большое количество газа.

При взрыве пороха это внезапное увеличение объема при переходе из твердого состояния в газообразное происходит еще быстрее и еще значительнее. Оттого-то пороховые газы, стремясь расшириться, и выталкивают тяжелый артиллерийский снаряд с такой начальной скоростью, что он летит на десятки верст.

Очистить яйцо, не разбив скорлупы

У французов есть поговорка: "Нельзя приготовить яичницу, не разбив яиц". Химику, услышав эту пословицу, остается только пожать плечами. Нет ничего легче и проще, как очистить яйцо, не разбивая его скорлупы.

Хотел бы думать, что вы уже догадались, как это сделать, если знаете, что твердая оболочка яйца - тоже углекислая известь, как мел и мрамор.

Стоит только опустить яйцо в слабый раствор соляной кислоты. Конечно, после растворения скорлупы - есть яйцо без хорошего промывания нельзя.

При этом вы попутно сможете показать желающим еще такой фокус:

Ныряющее яйцо

Удельный вес сырого яйца немногим больше удельного веса слабой соляной кислоты. Опустившись на дно сосуда, яйцо покрывается пузырьками угольного ангидрида и всплывает на поверхность. На поверхности жидкости пузырьки газа оторвутся от скорлупы яйца и улетят в воздух, а яйцо вновь опустится.

Рис. 33. Ныряющее яйцо

Такое ныряние и всплывание яйца (рис. 33) будет происходить до тех пор, пока вся скорлупа не растворится.

Можете теперь вынуть яйцо, сполоснуть его водой и выпустить на сковородку, но можете проделать с ним еще один из следующих двух опытов.

Растущее яйцо

Тоненькая пленка, облегающая яйцо, останется неразрушенной действием кислоты, растворившей скорлупу. Эта пленка пропускает кристаллические вещества (кристаллоиды) и задерживает так называемые коллоиды[24], к каковым относится яичный белок, не способный кристаллизоваться. Явление это называется диализом и используется в технике для отделения от коллоидных растворов нужных веществ.

Поэтому яйцо, положенное в чистую, несколько раз в сутки сменяемую воду, вскоре освобождается от следов соляной кислоты, проникшей через оболочку, и начинает впитывать в себя воду, не давая в то же время своему содержимому проникать наружу.

"Но позвольте, - спросите вы, - да разве вода - кристаллоид?"

Вспомните красивые кристаллы льда на наших окнах в зимнее время, рассмотрите внимательно иглы инея, покрывающего ветви деревьев зимою, и, наконец, вглядитесь в правильную форму мелких снежинок. Если вы задали такой вопрос, - вам станет неловко.

Через трое суток лежания в воде яйцо, освобожденное от скорлупы, заметно увеличится в объеме. Вот способ делать крупные яйца из мелких.

Яйцо в графине

Но если вам покажется скучным трое суток ждать результатов предшествующего опыта, сделайте вместо него с тем же яйцом другой опыт.

Предложите кому-либо ввести в бутылку с широким горлом или в графин яйцо.

Задача эта старая, и решалась она всегда чисто физическим путем. Вкрутую сваренное яйцо, освобожденное от скорлупы, советуют положить острым концом в горло графина, из которого часть воздуха предварительно удалена нагреванием. Для этого достаточно сжечь в графине кусок бумаги. Воздух при этом расширяется, и часть его выходит наружу. Яйцо по мере охлаждения графина вталкивается внутрь последнего давлением наружного воздуха. В момент, когда оно падает на дно графина, слышится звук как бы выстрела. Это вслед за яйцом врывается в графин наружный воздух (рис. 34).

Рис. 34. Яйцо, вталкиваемое в сосуд атмосферным давлением

Еще эффектнее провести весь опыт чисто химическим путем. Ничего жечь внутри графина (с риском, что он еще, чего доброго, лопнет) не надо, а надо его наполнить угольным ангидридом и, держа в одной руке яйцо, другой быстро вылить в графин из пробирки крепкий раствор едкого кали (беречься брызг!) и в тот же момент закупорить отверстие графина яйцом.

Едкий кали поглощает угольный ангидрид, превращаясь в углекислый калий (поташ), так что в графине образуется разреженное пространство, и яйцо "всасывается" в графин.

Глава VI. Опасные газы

На современных подводных судах, в кабинах стратостатов воздух непрерывно очищается от избытка выделенного дыханием экипажа угольного ангидрида раствором едкого калия, который можно заменить и едким натром[25].

Таким образом, наш предыдущий опыт иллюстрирует одно из применений химии к технике и дает нам практическое указание, как очистить спертый воздух в комнате больного, если врач запретил открывать в ней форточку.

Тарелки с налитым в них раствором щелочи быстро поглотят вредный избыток угольного газа и облегчат дыхание больного.

Кстати, вот что говорит об угольном ангидриде, выдыхаемом нашими легкими, один английский врач[26]. Обыкновенной мерой испорченности данного образца воздуха считается количество содержащейся в нем углекислоты, хотя надо заметить, что этот газ, полученный в химически чистом виде, может быть вдыхаем в больших количествах, не причиняя вредных последствий. Эти вредные последствия не наступают, пока количество углекислоты не превосходит 5 частей на 100. Если же, наоборот, углекислота получается путем дыхания, то результат оказывается иным, так как в данном случае в углекислоте содержатся органические примеси весьма вредного свойства. Так, эффект, получаемый при вдыхании воздуха, содержащего 1 1/2 части выдохнутой углекислоты на 1000, совершенно таков же, как при вдыхании воздуха, вдесятеро более богатого угольным ангидридом, но только полученного химическим путем.

Химические мотыльки

Чтобы воспроизвести этот опыт, возьмите бутыль с широким горлом, заткнутым пробкой, с пропущенной через нее воронкой с широким носиком. Если такой стеклянной воронки не найдете в продаже, склейте ее из тонкого картона. В бутылке получаете углекислый газ действием соляной кислоты на двууглекислую соду. Бросьте в воронку легонький шарик, плотно закрывающий ее отверстие. Я брал для этого маленький пустотелый шарик из целлулоида (огнеопасен), но лучше, если сможете сделать его из сердцевины бузины или подсолнуха. Вырезав грубо что-то близкое по форме к шарику, его окатывают между ладонями, пока форма не приблизится к вполне шарообразной.

Рис. 35. Химические мотыльки

Для красоты к шарику приклейте вырезанные из тонкой папиросной бумаги крылышки бабочки, приподняв их кверху. Советую, предварительно смочив бумагу синей лакмусовой настойкой, вырезать из нее крылышки после того, как она просохнет.

Как только угольного ангидрида соберется достаточно, чтобы преодолеть вес шарика, он вырывается из бутылки (особенно при взбалтывании последней), подбрасывая "химическую бабочку" вверх. Взлетев на небольшую высоту, она снова опускается вниз, опять закрывая воронку. Взлет и опускание продолжаются, пока не выделится весь углекислый газ. Крылышки голубого мотылька при этом розовеют.

По совести говоря, без приклеенных крылышек шарики работают лучше, и их можно бросить в воронку тогда сразу несколько (два-три). Крылышки же не только меняют свой цвет на розовый, но и намокают, мешая плотному соприкосновению шарика со стеклом воронки, но зато опыт с бабочками красивее.

Итак, проделывая опыт, в случае неудачи оборвите у ваших "бабочек" крылья и довольствуйтесь "химической пляской" бузинных шариков.

Подводная лодка из коробочки

Интересную вариацию опыта с ныряющим и выплывающим яйцом дает в пересказе из французского журнала "Nature" русский специалист по любительским опытам, скрывший свое имя под псевдонимом Тит Т.[27] Вот как он описывает этот опыт:

"При продаже аптекарских материалов нередко встречаются высокие, круглые (цилиндрические) коробочки. В донышке такой коробочки проколите несколько отверстий, а в крышке одно побольше, центральное. Через это последнее должен проходить стержень (булавка, проволока) двойного клапана, составленного из картонного кружка (снизу) и широкой пробки (сверху); пригодна пробка от баночки с горчицей. (Рисунок 36, направо, изображает коробочку и клапан в ее крышке).

Рис. 36. Подобие химического «вечного» двигателя

"Внутри коробочки скройте "газовый двигатель", который будет приводить в движение вашу коробку, если вы опустите ее в воду. На том же рисунке вы видите, что этот двигатель представляет собою маленький пузырек, наполовину насыпанный смесью равных количеств соды и виннокаменной кислоты. Пузырек закрывается пробочкой со сквозным отверстием достаточной ширины.

"Для лучшей устойчивости коробочки, на дно ее прибавьте какой-нибудь груз, например, мелких гвоздей.

"В большую стеклянную банку с водой опустите дном вниз готовую и закрытую коробочку; вода будет входить в нее через нижние отверстия, а воздух выходит сверху через клапан, и коробочка опустится в воду. Но вот начинает работать газовый двигатель: в пузырек попадает немного воды, смачивает порошок, и из него сейчас же выделяется в большом количестве углекислый газ, который наполняет коробочку и вытесняет из нее воду через отверстия в дне: при этом все время, пока коробочка находится под водой, отверстие в крышке остается прикрытым картонным кружком клапана, потому что легкая пробка, поднимаемая давлением воды, тянет клапан кверху. Коробочка, наполненная газом, снова всплывает вверх; первою показывается из воды пробка, клапан опускается под действием веса пробки, газ выходит наружу, и вода снова наполняет коробку. Прибор опять опускается на дно, пока новое количество воды не попадает в скрытый внутри пузырек".

На рис. 36, налево, изображен весь аппарат в уменьшенном виде с коробкой, поднимающейся кверху. "Подводная лодка" идет ко дну, когда все количество взятой соды и кислоты нейтрализуют друг друга, и больше она уже не всплывает.

Вредные газы, приносящие пользу

Некий профессор орнитологии[28] разделял всех птиц на "полезных", "полезно-вредных", "вредно-полезных" и "просто вредных".

Такую более чем "оригинальную" классификацию никак нельзя применить к газам, так как все они без исключения, смотря по применению, могут быть и полезны и вредны. Мы видели, как ядовит хлор, но знаем, с какой пользой его можно применять.

Газы, о которых у нас пойдет речь, и с которыми мы проделаем ряд интересных опытов, конечно, все могут приносить - и подчас приносят - вред, но люди научились извлекать из них и пользу.

Это будут газы, образуемые серой в ее соединениях с кислородом (сернистый газ) и водородом (сероводород), и уже отчасти знакомый нам аммиак.

Дар вулканов

"Прелесть! Так бы и стоял и смотрел без устали хоть целую неделю, не отрывая глаз. Этот кратер кажется лугом из тощей травы и шелковистого мха, густо покрытых блестящей пылью, с просвечивающей бледной зеленью, которая то постепенно переходит в самые темные цвета апельсиновых листьев и даже в коричневый цвет, то вновь светлеет, переходя в оранжевый и светло-золотистый; и, наконец, все эти переливы завершаются нежно-красным цветом только что распустившейся розы. В одном месте виднеется яма, в другом выступы наподобие ледяных сосулек; в некоторых из них стенки покрыты узорчатой сетью из серых кристаллов. Самые стены провала блестят желтой оторочкой из серы".

Так пишет наш старый любимец, шутник Марк Твэн[29], но на этот раз пишет совершенно серьезно. Это - описание красоты кратера Везувия, одной из природных "химических лабораторий", изготовляющих серу.

Вероятно, на Луне, с ее некогда развитой вулканической деятельностью[30], этот элемент находится в изобилии.

Спрос на серу[31] со стороны техники очень велик.

Вы, быть может, и не подозреваете всей важности этого элемента для народного хозяйства.

Ну, на что сера может идти? Она входит в состав пороха, ее порошком обсыпают "заболевшие" виноградники, при ее посредстве мягкий каучук вулканизируют в твердый эбонит, прекрасный изолятор электричества.

Но это далеко не все. Вы забыли самое главное: из серы делают серную кислоту.

Не думайте, что последняя нужна только для наполнения стаканчиков, помещаемых на зиму между оконными рамами. Легче перечислить химические производства, обходящиеся без этой страшной жидкости, чем составить полный список ее применений!

Серная кислота нужна для получения азотной, соляной, уксусной и других кислот, соды, стекла, целлулозы, йода, суперфосфатных удобрений, сернокислого аммония, квасцов, фосфора, медного, железного и других купоросов, нитей для электрических ламп, алюминия, эфира, керосина, бензина, минеральных масел, парафина, глицерина, стеарина, динамита, целлулоида, патоки, бумаги, искусственных красок, лекарств и сотен других веществ, без которых немыслима современная наука, техника, жизнь.