Химические опыты

Автомашины с двигателями внутреннего сгорания — это тоже источник окиси углерода. Она находится в выхлопных газах их моторов и отравляет уличный воздух, а в плохо вентилируемых закрытых машинах — и воздух внутри их. Это вызывает головную боль и головокружение у пассажиров. Анализ воздуха парижских улиц показал, что в нем содержится 44 части окиси углерода на 10 000 объемов воздуха. Особо значительно содержание этого страшного газа в туннелях с сильным автомобильным движением. В новом Нью-Йоркском туннеле под р. Гудзоном установлен специальный контрольный аппарат, определяющий количество окиси углерода в воздухе и сигнализирующий, когда оно становится опасным.

К сожалению, в широких кругах публики не подозревают, что окись углерода — «коварный газ», который нельзя обнаружить обонянием. Ошибаются, говоря, что «пахнет угаром». Пахнут в этом случае сравнительно безвредные продукты сухой перегонки угля, присутствие которых, правда, служит косвенным указанием на наличие страшной окиси углерода. Хуже всего убеждение большинства, что, если «угаром не пахнет», значит и опасности никакой нет. И опять-таки, к сожалению, мало кто знаком с прекрасным способом обнаружения присутствия окиси углерода в воздухе в самых ничтожных дозах. Этот способ заключается в следующем: надо внести в помещение, в котором подозревают наличие угарного газа, пропускную бумагу, смоченную раствором хлористого палладия. От малейших следов окиси углерода бумажка почернеет.

Для установления диагноза, отравлен ли человек угарным газом, химия дает также способ: несколько капель раствора медного купороса, прибавленные к разбавленной водой крови здорового человека, меняют окраску последней на желто-зеленую; кровь же угоревшего человека остается ярко-красной.

В промышленных предприятиях, где приходится сталкиваться с опасностью отравления СО (окись углерода), устанавливаются специальные сигнализирующие приборы — газоанализаторы.

Эти приборы бывают физическими, химическими и электрическими.

Современная техника сумела однако этот страшный газ применить с пользой для дела.

Голубой и водяной газы

Надо отдать справедливость техникам, что они чрезвычайно любят придумывать совершенно неудачные названия, ставящие в тупик непосвященных. Химия не знает голубого газа. Так прозвали американские техники получаемую умышленно в больших количествах окись углерода, потому что этот газ горит голубым пламенем. Вы сами, вероятно, не раз любовались его голубыми огоньками, глядя в горящую печь.

Получают его сожжением дешевых сортов топлива, не развивающих при сгорании большого жара. Горящий газ направляют навстречу току искусственно нагретого воздуха, смесь вспыхивает и сгорает в конечный продукт окисления углерода — в угольный ангидрид (углекислый газ). Температура такого пламени доходит до 1000°, и оно применяется там, где требуется не только большое количество тепла, но и сильный жар: в металлургии, в стеклянном производстве, для движения и освещения.

Филологический курьез. В технике применяется еще один газ с содержанием до 25 % голубого газа, то есть окиси углерода, и называется он блаугаз. По-немецки слово blau значит синий. Но правильное его название: газ инженера Блау, по фамилии лица, предложившего его применение, а не «синий газ». Таким газом, между прочим, питаются моторы дирижабля «Цеппелин-127».

Что касается водяного газа, то физик и химик назовут водяным газом, т. е. водой в газообразном состоянии, водяной пар, перегретый до такой температуры (свыше 1000°), при которой его никаким давлением нельзя сгустить в жидкость.

В технике же называют «водяным газом» горячую смесь окиси углерода с водородом, получающуюся при разложении раскаленным углем воды, пульверизируемой на его поверхность в виде пыли или пускаемой в виде струи пара. Уголь при этом соединяется с кислородом воды в окись углерода, а водород освобождается. В избытке воздуха такая смесь газов сгорает, причем окись углерода обращается в неспособный к дальнейшему горению угольный ангидрид, а водород — обратно в воду.

Сказанное попутно объясняет нам, почему в кузницах, чтобы усилить жар, брызжут в уголь воду, и отчего гашение большого пожара тонкими струйками воды из ручных пожарных насосов не только не гасит, но и усиливает пламя.

Газы дыхания и горения

Один английский химик сказал, что поэт, впервые уподобивший жизнь горению свечи, был ближе к истине, чем сам это думал.

Зажжем свечу. Коснемся ее пламени холодным утюгом. На нем, как и при прикосновении к пламени водорода, мы заметим капли воды, но, кроме того, еще и сажу.

Поставим огарок свечи в высокий стеклянный цилиндр (хотя бы в банку из-под варенья). Погорев некоторое время, свеча погаснет. Вольем в сосуд известковой воды, — вода помутнеет.

Подышим на холодное стекло, — оно «запотеет», покроется мелкими каплями воды. Будем дышать через налитую в стакан прозрачную известковую воду, опустив в нее один конец стеклянной трубки, а другой держа во рту. Вдыхайте при этом воздух носом и, задержав его в легких секунд на пять, выдыхайте ртом через трубочку: вода опять-таки помутнеет.

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, 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.

Получают кислород и иначе. Так, окись бария 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, 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 бочонков, 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 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».

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

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

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, — 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.

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).

Горение железа в кислороде

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) серебристо-белые 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. Металл горит ярким пламенем.

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.