Глазами Монжа-Бертолле

«Разделяй и властвуй!» — под таким девизом химия стала наводить порядок в мире атомов и молекул.

Овладеть секретами химических превращений, вникнуть в природу химических индивидов было невозможно без приготовления чистых препаратов. Однако получить их оказалось делом нелегким. Погоня за чистотой властно потребовала усовершенствовать способы разделения смесей. И приемы контроля за степенью загрязненности.

Исстари подметили люди: ложка дегтя портит бочку меда. Пусть ложка вмещает 10 граммов. А бочка — 1000 килограммов. Легко прикинуть загрязненность в этом случае: 0,001 процента. Не так уж она и велика. А все же недопустима. Совсем просто загрязнить вещество до такой степени. Зато насколько труднее добиться подобной чистоты: 99,999 процента — три девятки после запятой!

Чтобы очистить воду от минеральных солей, ее приходится дистиллировать — выпаривать и собирать в специальную лабораторную посуду со всеми предосторожностями. Даже многократная перегонка и то едва ли обеспечит чистоту выше 99,99 процента. А чтобы избавиться от заметных примесей углекислого газа, азота и кислорода, попадающих в воду из воздуха, немецкому химику Кольраушу понадобился не один год!

И тем не менее попытки химиков получить сверхчистые вещества становились все упорнее и упорнее. Многие годы, объявив войну примесям, терпеливо, настойчиво проводили ученые свои эксперименты.

И тут обнаружились удивительные вещи. После двадцати семи лет высушивания сероуглерод изменил температуру кипения. Причем весьма заметно — больше чем на треть! Раньше кипел при 49,5 градуса. Так и было записано в справочниках. А стал кипеть при 80! У бензола, который сушился восемь с половиной лет, точка кипения подпрыгнула на 26 градусов.

Мало того. С повышением чистоты веществ менялись и химические их свойства. Угарный газ не горел в кислороде. Водород не соединялся с хлором, гремучий газ не взрывался, нашатырь не распадался, как обычно при возгонке, на аммиак и хлористый водород. Вот что наделала простая операция — высушивание реагентов!

Это выглядело потрясающе. Впрочем, судите сами. Точные науки немыслимы без измерений. Но любые измерения — это сравнение с эталоном. Например, ртуть служит образцом при определении стандартной единицы электрического сопротивления. Удлинение столбика ртути в термометре отмечает повышение температуры. Ртуть работает и в манометрах. Во всех этих случаях мы опираемся на постоянство свойств чистого эталона. Только вот беда: они, оказывается, не остаются неизменными! Например, девятилетняя сушка приводит к тому, что у ртути температура кипения повышается на 62 градуса. 62 градуса! Наверняка и прочие свойства нашего жидкого металла зависят от степени очистки. В том числе электропроводность, удельный вес и способность расширяться при нагревании.

Фундаментальнейшие физические константы оказались в полной зависимости от чистоты веществ. Иными словами, от того, насколько близко удалось придвинуться к загадочному химическому индивиду.

И это еще не все!

Вот уравнение реакции: 2H₂ + O₂ = 2H₂O. Все химические знаки написаны безошибочно. Тем не менее перед нами фикция! По крайней мере идеализация.

Единой химической формулой можно изобразить состав лишь идеально чистого вещества. Между тем высушенные до предела водород и кислород не взаимодействуют. Выходит, чтобы реакция пошла, нужны примеси. Но тогда их участие в процессе придется описывать дополнительно еще одним уравнением! Каким? Очевидно, тем, которое показывает участие загрязнений во взаимоотношениях между химическими индивидами.

Вот и получается, что первоначальное уравнение не отражает всей сложности описываемого им явления. И все же без языка формул и уравнений немыслим прогресс химии.

Композитор записывает новорожденную мелодию нотами: «до», «ре», «ми», «фа», «соль» и так далее. Однако реальные звуки, соответствующие этим нотам, никогда не бывают чистыми. Извлекаемые ли из инструментов, рожденные ли голосовым аппаратом, они всегда сопровождаются примесями обертонов. Звуки чистые, без обертонов, — явление столь же исключительное, как и химический индивид. Однако не будь нотной азбуки, что сталось бы с музыкальным творчеством?

Так, пожалуй, и в химии. Именно введению символов в лабораторный обиход во многом обязана своими успехами теоретическая химия. Да и не одна теоретическая (вспомните хотя бы органический синтез!). Только очень скоро выяснилось, что химические формулы дают идеализированное представление о составе соединений и о характере взаимодействий.

Так закон постоянных и кратных отношений породил проблему химического индивида.

Мысленно представить себе, что такое химический индивид, сравнительно легко. Вещество, составленное из одинаковых атомов или молекул. Результат простой арифметической операции: чистое вещество равно грязное вещество минус примеси. Мед, из которого удален деготь и который разделен на индивидуальные органические соединении. Но это теоретически. А вот экспериментально…

Химикам так хотелось взглянуть хотя бы одним глазком, что же это за штука — химический индивид. Ведь его до сих пор никто не видел. Он существовал лишь в воображении ученых. Даже Пруст в своих тщательнейших анализах имел дело с веществами, которые никак не назовешь абсолютно чистыми. Правда, степень их загрязненности была ничтожной. Но ведь химический индивид — это стопроцентная чистота! Ни одной чужеродной молекулы.

Бурно совершенствовались способы разделения смесей и очистки веществ. А химический индивид оставался по-прежнему недосягаемым идеалом. Этаким призраком в реторте. Но самое главное — трудно было установить: пойман, наконец, призрак или нет?

Очистить вещество — титанический труд. Однако это всего лишь полдела. Надо еще проконтролировать степень чистоты. Определить, какие примеси и в каких количествах затаились где-нибудь в потаенных уголках исследуемого препарата. Вот тут и начинаются утомительные и рискованные аналитические процедуры. Рискованные потому, что очищенное вещество очень легко загрязнить снова.

Известен случай, когда у одного ученого в анализируемых пробах обнаружилось золото. Его было очень немного, но у аналитиков совсем иное мнение на этот счет. Ничтожнейшие примеси порой сводят на нет усилия целого коллектива. Но откуда взялось золото? Вроде бы времена алхимии безвозвратно канули в прошлое. Долго выискивали причину. Оказалось, следы металла были занесены в колбу самим экспериментатором! А все потому, что ученый во время опыта машинально поправлял очки в золотом оправе.

Металлические зубы, кольца, маникюрный лак, губная помада, запах духов — все это далеко не безобидные гости в аналитической лаборатории. Недопустимо, например, определять малые количества цинка, если на руки нанесен парфюмерный крем. Он содержит окись цинка.

Вопреки общепринятому представлению о взаимоотношениях между человеком и химикалиями здесь приходится оберегать химические препараты от человека, а не наоборот.

Посуда, самая что ни на есть чистейшая, как, впрочем, и любая аппаратура, тоже способна служить источником загрязнений. И чем чище препарат, тем он привередливее. Там, где имеют дело с особо чистыми продуктами, на учете каждая пылинка. Считается совершенно недопустимым, когда на 10 квадратных сантиметров рабочей поверхности (площадь большой почтовой марки!) приходятся две пылинки за шесть часов. И пылинка не должна быть по размерам больше 0,005 миллиметра! Уместно напомнить, что в одном стакане лондонского воздуха больше пылинок, чем жителей во всей британской столице.

Короче говоря, чистилище препаративной химии оказалось бессильным обратить «нечистых» в «чистых». Химический индивид не поддавался ни на какие ухищрения охотников за сверхчистыми. Но тем больше распалял он воображение химиков. Его свойства не давали им покоя. Неужели невидимка неуловим? Но даже если это и так, то разве нельзя найти косвенные методы изучения его свойств?

Поиск продолжался.

Тем временем все более пристальное внимание охотников за чистотой стала привлекать… грязь. Да, грязь — те самые зловредные примеси, которые попортили так много крови искателям химического индивида.

Металлурги давно уже заметили, что примеси серы или фосфора, даже незначительные, что-нибудь около 0,1–0,05 процента, сильно меняли свойства стали, делали ее ломкой, хрупкой. Некоторые загрязнения, наоборот, действовали на металл благотворно. Известно, что проволока сечением 1 квадратный миллиметр, изготовленная из очень чистого железа, выдерживает груз в 20 килограммов. А вот стальная нить той же толщины — в 10, а то и в 20 раз прочнее!

Сталь не что иное, как загрязненное железо. В ней от 0,2 до 1,7 процента углерода. Если углерода больше — перед нами чугун, если меньше — ковкое железо. Не стоит, пожалуй, объяснять, что такое ковкость. Важно лишь отметить, что от этого свойства не остается и следа при переходе от железа к чугуну. Чугун вовсе не уличишь в мягкотелости железа. Между тем разница ничтожна — какие-нибудь полтора процента углерода!

А сталь? Упругая, твердая, прочная, она куда менее податлива под ударами молота или штампа. Однако, не обладая ковкостью железа, она не страдает и хрупкостью чугуна. Какое несходство в механических свойствах! И все на коротенькой дистанции — от десятых долей до нескольких процентов углерода. Откуда такие скачки? Какова роль углерода и прочих примесей?

Отнюдь не праздное любопытство двигало рукой ученых, настраивавших все новые приборы для исследования металлической структуры. Век стали поднимался над планетой в грохоте созидания и разрушения. Сверкающие колеи железных дорог перерезали континенты. Над свинцовой рябью рек нависали ажурные фермы мостов. Паутина проводов опутывала небо. Острые кили могучих кораблей рассекали океанские воды. Грузные стволы орудий зловеще поглядывали своими жерлами в лицо врагу. Всюду был нужен металл, металл. И не просто металл. Металлу требовалось придать особые качества, чтобы он, буде ему придется сокрушать или строить, работал безотказно. Упругость, твердость, тягучесть, жаропрочность, электропроводность, кислотоупорность — сколько разных потребностей выдвигала практика!

Ничего нет удивительного, что практика заинтересовалась смесями. А теория? Какие у нее были возможности?

Вот что писал в 1885 году русский ученый В. Ф. Алексеев: «Как давно известны, например, многие металлы и как ничтожны наши сведения о сплавах их между собою! Для большинства сплавов даже не известно, будут ли они физически однородны или нет… Между тем немало производилось самых тщательных исследований над сплавами, и потому, если сведения о них все-таки остаются очень неудовлетворительными, то это зависит единственно от того, что шли до сих пор чисто эмпирическим путем, без всякой руководящей идеи».

Тщательно отполированная стальная пластинка — разве что зеркало может соревноваться с ней своей гладкой и однородной поверхностью. Но так казалось лишь невооруженному исследовательскому оку. Стоило нацелить на поверхность металла зоркий зрачок микроскопа, как картина тотчас менялась. Сразу бросались в глаза неровности, шероховатости, следы непонятных вкраплений. Еще резче проявлялась неоднородность структуры у шлифа — пластинки, подвергнутой специальной химической обработке, например травлению кислотой. Металлография, зародившаяся в дымной атмосфере сталелитейных заводов, помогала решать многие насущные технологические вопросы. Но еще больше вопросов она ставила — и не только перед химией. Перед физикой тоже.

Что представляли собой мельчайшие ячейки в стальном шлифе? Их было много; одни посветлее, другие потемнее, они напоминали смесь разнородных кристалликов. Крупинки углерода вперемешку с зернами железа? Или нет? Если нет, тогда что?

В 1893 году мир облетела сенсация. Изобретатель электрической печи Муассан сообщал, что ему удалось получить искусственные алмазы. Он добавлял к расплавленному железу графит и быстро охлаждал полученную массу. Чугун, как известно, расширяется при охлаждении. Образовавшаяся на поверхности плотная корка стискивала раскаленное месиво. Растворяя в кислотах застывший сплав, Муассан обнаружил крохотные кристаллики, напоминавшие алмазы своим видом и твердостью.

Первым усомнился в справедливости выводов Муассана русский минералог П. Н. Чирвинский. Он направил в «Бюллетень французского химического общества» свое опровержение: Муассан получил вовсе не алмазы! То были карбиды — соединения металла с углеродом. Где там! Редакция отклонила работу Чирвинского. Мотив: нежелание огорчать председателя общества. Еще бы, ведь президентское кресло занимал сам Муассан…

Другой журнал, нью-йоркский, проявил не меньшую щепетильность в вопросах научной этики: «Американцам не к лицу критиковать Муассана». Деликатность или мракобесие? Как бы то ни было, Муассан вошел в историю как создатель искусственных алмазов. А наука еще долгие годы оставалась в неведении: какие явления сопутствуют плавлению и отвердеванию черных и цветных металлов? Что представляют собой сплавы — смеси элементов или химические соединения?

Что же придавало податливому тягучему железу то упругую несокрушимость булатного клинка, то хрупкую твердость чугунной статуэтки? Химические соединения углерода с железом — карбиды? Но почему тогда сплав имел мелкокристаллическую структуру? Или сетчатая структура шлифа — смесь элементов? Одно зернышко железное, а другое… алмазное? А может, из графита? Или сажи? Ведь свободный углерод встречается в природе в виде трех аллотропных видоизменений!

И не один углерод.

В 1912 году в снегах Антарктиды были найдены дневники капитана Скотта, погибшего вместе с товарищами на обратном пути от Южного полюса. Страницы, исписанные неверным почерком умирающего, поведали людям трагическую историю мужественных первопроходцев ледяного континента. Отлично снаряженная экспедиция потерпела неудачу потому, что ни с того ни с сего вдруг распаялись металлические резервуары с керосином, лишив людей тепла и горячей пищи.

Ни с того ни с сего? Ой ли! Нет, у всякого физического явления есть свои причины.

При температурах ниже 13 градусов с оловом может стрястись несчастье: металл заболевает. Обыкновенное белое олово с удельным весом 7,3 переходит в свою аллотропную модификацию — серый кристаллический порошок удельного веса 5,7. Из-за разницы в плотностях объем металла увеличивается на четверть. Понятно, что при таких метаморфозах оловянный спай разрушается. Этот недуг металла называется «оловянной чумой».

Странно: металл — и вдруг может заболеть! Интересно (это факт): «здоровое» олово способно по-настоящему заразиться от «чумного».

Первый диагноз «оловянной чумы» был поставлен задолго до того, как экспедиция Скотта отправилась в Антарктиду. Еще в конце XVIII века петербургский академик Петр-Симон Паллас установил, что олово, подобно мифическому Янусу, двулико. Многолики и другие элементы, например сера. Не удивительно ли: перед нами совершенно различные вещества, а изображаются они одним и тем же химическим символом? Добро бы речь шла о разных агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном. А то ведь и серое олово и белое — оба твердые кристаллические тела!

И оба неразличимы по реакциям в пробирке. Короче, один и тот же химический индивид.

С каждым днем становилось все очевиднее: чисто химических методов недостаточно, чтобы досконально разобраться в природе таких сложных систем, как сплавы, и чтобы отграничить смеси от соединений, чистые вещества от примесей. Нужно было подытожить и обобщить богатейший опыт, накопленный порознь смежными областями знаний, наметить новые пути исследований. Нужен был могучий синтетический ум, чтобы слить в единый сплав разрозненные идеи, сделать смелые, качественно новые теоретические выводы.

Ученого с таким складом ума дала мировой науке Россия.

…2 января 1914 года. Только что отпразднован Новый год. Многим и невдомек, что над миром, как и больше ста лет назад, вновь сгущаются грозовые тучи. Пройдет несколько месяцев — и грудь многострадальной Европы перережут глубокие шрамы окопов. Заброшенные нивы ощетинятся всходами смерти: штыками и колючей проволокой. В воздухе засвистит смертоносный металл, ядовитыми клубами поплывут над землей боевые отравляющие вещества…

И труд многих поколений химиков и металлургов станет орудием кровавых преступлений империализма. Неужели это проклятье будет вечно висеть над наукой?

Тогда еще ни один человек в мире не догадывался, что над зловещим ночным заревом войны займется заря новой жизни, возвещенной залпом «Авроры».

А сегодня ничего не подозревающие ученые и педагоги съехались на свой обычный форум, чтобы обменяться мыслями и опытом, чтобы потолковать о путях развития науки на благо мира и созидания.

Впрочем, форум не совсем обычный. На пригласительных билетах значится: «I Всероссийский съезд преподавателей физики, химии и космографии». Однако знаменательно не то, что на нем впервые собрались вместе представители столь разных наук. Наук, которые в те годы предпочитали идти каждая своей дорогой, не нарушая границ, свято оберегавшихся столетними традициями. Именно здесь, в России, на этом съезде, впервые в мире будут сформулированы революционные идеи, которые сообщат мощный импульс научным исследованиям в совершенно новом направлении.

На кафедру поднимается человек средних лет. У него коротко остриженные волосы и пушистые гренадерские усы. Высокий лоб, проницательные, чуть насмешливые глаза.

— В развитии наук существуют периоды, когда накопление новых данных заставляет внимательно вглядываться в историю прошлого, — начинает он. — При неудержимом движении вперед назревает потребность в критическом рассмотрении главных понятий, составляющих фундамент научного знания.

Аудитория слушает с нарастающим вниманием. Еще не все знают этого скромно одетого человека, имя которого вскоре прогремит на весь мир. Некоторые слушатели еще раз украдкой заглядывают в список докладчиков: «Акад. Н. С. Курнаков. Соединение и химический индивид».

Само собой разумеется, этому докладу предшествовали долголетняя исследовательская работа и многочисленные публикации Курнакова, а также его сподвижников и учеников.

— …для химии беспримерный рост фактического материала, неожиданные открытия новых областей требуют пересмотра наших воззрений на логическую структуру таких понятий, как элемент, соединение, раствор, индивид, которые, казалось бы, установлены с незыблемой прочностью великими основателями нашей науки.

Докладчик вспоминает знаменитый спор между Бертолле и Прустом.

— Установление закона кратных отношений и тесно связанной с ним атомистической теории составляет эпоху в истории химии. До тех пор не делалось принципиального различия между понятиями соединения и однородной смеси. Если же «истинные» соединения обладают постоянным составом, то, конечно, главной задачей химии должно стать их всестороннее изучение. Этим были заранее указаны объекты исследования и определена область развития химии как точной науки на целое столетие вперед.

Пока что выступающий говорит общеизвестные вещи. Но вот педагоги начинают переглядываться и что-то быстро писать в толстых блокнотах.

— Закон постоянных и кратных отношений явился приложением учения о целых числах в химии. Атомистические формулы с целочисленными значениями для атомных долей сделали это приложение необыкновенно простым и наглядным. При таких условиях состав соединений получил совершенно определенное числовое выражение и само понятие о химическом соединении стало понятием математическим.

Между прочим, и математики (Куммер, Минковский) неоднократно подчеркивали тесную связь между учением о составе химических соединений и общей теорией чисел.

Математические операции с целыми числами, за которыми стояли «неделимые» атомы, позволяли проверять и даже предвидеть состав сложных тел. И усилия химиков, направленные на поиски и исследование подобных веществ, увенчались блистательным успехом. Достаточно напомнить, что теперь известно более 300 тысяч веществ, подчиняющихся законам Пруста и Дальтона. Это неминуемо вело ученых к убеждению, что постоянство состава — главный индивидуальный признак, характеризующий истинные объекты химического изучения. Таким телам присвоили звание «химических индивидов». Постепенно термины «соединение» и «индивид» стали равнозначными.

Но если стать на эту классическую точку зрения, то за бортом понятия «индивид» останется масса других веществ, которыми тоже занимается химия! Нет, объектом изучения в химии не могут быть одни лишь соединения постоянного состава. Тогда что же?

Напряжение в аудитории нарастает.

— В реальной действительности, — подчеркивает ученый, — непосредственный изначальный объект химического или, правильнее, физико-химического изучения — фаза. Понятие фазы является более общим, чем современный химический индивид, соответствующий, как мы видели, только веществам постоянного состава или определенным соединениям; оно обнимает также и громадный класс однородных тел переменного состава или растворов. Обширную категорию растворов обыкновенно относили к физически однородным смесям и ставили особняком. Между тем учение о фазах не делает принципиального различия между телами постоянного и переменного состава.

…Чеканные в своей научной тяжеловесности, эти фразы, чего доброго, могут и отпугнуть непосвященного. А сколько живых человеческих драм, сколько раздумий бессонными ночами, успехов и неудач, надежд и разочарований, титанического труда скрывается за любым выводом, выстраданным в жарких теоретических схватках, в многолетней черновой работе экспериментатора!

Казалось бы, нет и не может быть даже тени сомнения в безграничной справедливости закона, который триумфально прошел сквозь целое столетие и выдержал испытание временем. Как не возбуждавшая сомнений реальность и неделимость атомов, над химией императивно и безоговорочно довлело представление о химическом индивиде, подчиняющемся кодексу Пруста — Дальтона. Всякий, кто посмел бы поднять руку на монопольное господство закона постоянных и кратных отношений, был бы немедленно предан анафеме. И надо же было так случиться, что идеи Бертолле, похороненные Прустом, возродились вновь, словно сказочная птица Феникс из пепла!

Еретики сыскались. В 1887 году традиционный взгляд на химический индивид получил первый нокаут от Дмитрия Ивановича Менделеева. В монографии, посвященной растворам, ученый писал: «Грани нет между этими явлениями и чисто химическими».

Обратите внимание: это слова великого создателя периодической системы, которая сама зиждется на законе постоянных и кратных отношений!

И вот теперь, на съезде физиков, химиков и космографов, вновь раздвигаются тесные рамки классических истин.

Как химия проигрывает в изоляции от физики, так и сугубо химическое толкование термина «химический индивид» слишком бедно, чтобы исчерпывать собой объект исследования в химии. Понятие «химический индивид» неотделимо от понятия «фаза».

Фаза… Этот термин отлично знаком каждому химику. Мы говорим «фазы Луны», «фазы развития», подразумевая различные формы одного явления, между которыми пролегает некая грань. Несколько иначе в химии. Например, серое олово и белое. Это две разные фазы. Только грань между ними не временная, а пространственная. Кристаллики одного и второго вещества отграничены поверхностями раздела. Алмаз, графит, сажа. Три фазы. Каждая отличается от другой набором несхожих свойств. А вещество одно! Разумеется, с точки зрения химии. По прежним представлениям именно олово или углерод должны как химические индивиды служить объектами химического исследования. А по новым — каждая фаза. То же самое относится к воде и поваренной соли, взятым порознь. А если вместе?

Соленые морские волны, да и любой иной раствор однородны. Значит, это одна фаза, хотя в ней слились несхожие вещества. Стоит, однако, кристаллам соли выпасть из пересыщенного раствора, как система тотчас становится двухфазной. А если выделяются из раствора сразу две соли — то и трехфазной. Пример: натронные озера в Египте с солевыми отложениями, изучением которых занимался еще Бертолле. Неспроста, видать, ставил перед своим испанским коллегой великий французский химик вопрос о разнице между смесью и соединением!

Пруст не дал вразумительного ответа на вопрос Бертолле. Но не потому, что не хотел. Не мог. Этого не позволял сделать уровень тогдашних знаний. Лишь семьдесят лет спустя было впервые введено четкое представление о фазах и фазовых равновесиях.

Фазовые равновесия окружают нас повсюду.

На дворе зима. Стужа такая, что капли воды превращаются в лед, не долетев до земли. И все-таки хозяйка вывешивает свежевыстиранное белье сушиться. Прямо на мороз! Из повседневного опыта она твердо усвоила, что холод сушке не помеха. Сырые рубашки затвердеют, что рыцарские латы, простыни загремят, как жестяные противни. А все же рано или поздно количество влаги в них уменьшится. Лед испаряется. Точнее, сублимирует, возгоняется: не превращаясь в жидкость, сразу же переходит в пар. При определенных атмосферных условиях в двухфазной системе лед — пар наступит равновесие. Количества молекул воды — тех, что покидают поверхность ледяных кристалликов, и тех, что возвращаются на нее, — уравняются. Белье больше сохнуть не будет. Придется досушивать утюгом.

Утюг расплавит лед, нагреет воду, заставит ее испаряться. На какое-то мгновенье возникнет система лед — вода — пар (три фазы). И тут же утратит равновесие. Однако клубы пара, вырывающиеся из-под утюга, сделают комнатный воздух сырым. Оконные стекла запотеют. И если скорости испарения и конденсации станут одинаковыми, система вода — пар снова очутится в равновесном состоянии.

Но вот на улице похолодало. Окно заиндевело. Правда, рядом со снежными блестками на стекле сверкают капельки воды. Опять перед нами система лед — вода — пар.

Такие процессы сплошь да рядом протекают в гигантской лаборатории природы.

Грозовые облака в наших широтах — это бушующие водовороты, где зачастую сосуществуют градины, дождевые капли и водяные пары. Там можно найти все четыре вида равновесий: лед — пар, лед — вода, вода — пар и лед — вода — пар. Последнее самое капризное. Оно устойчиво лишь в одном случае: когда температура системы ноль градусов, а давление водяных паров над ней равно 4,58 миллиметра ртутного столба. Стоит измениться показаниям хотя бы одного из приборов — термометра или барометра, как система тотчас теряет равновесие и из трехфазной переходит в двухфазную. Например, либо лед целиком растает, либо вода замерзнет полностью.

Двухфазной системе проще сохранить равновесие. Здесь нет таких жестких ограничений.

В нашем примере фигурировала однокомпонентная система. Она состояла из одного вещества — воды, только в разных агрегатных состояниях. А ведь система может быть и многокомпонентной. Море, в котором плавает айсберг, — именно такая система. В воде растворены соли. И они способны выпадать из раствора! Правда, в море это случается редко. Разве что в Мертвом. Зато в соленых озерах Египта — регулярно. Значит, число составных частей системы будет уже не единица (вода), а два или три — в зависимости от количества веществ, осаждающихся на дно. Можно представить себе такую картину: соль под айсбергом. Перед нами система соль — лед — раствор — пар. Интересно, при каких условиях равновесие устойчиво?

В свое время Гиббс вывел правило фаз. По нему можно найти, сколько у системы степеней свободы: F = n + 2 – r. Здесь n число компонентов. Оно в нашем примере равно 2 (вода плюс соль). А r — число фаз. Их у нас 4 (кристаллы соли, раствор, лед, пар).

Посмотрим, чему равно число степеней свободы: F = 2 + 2 – 4. Нулю! И так всегда. Присутствие в системе всех возможных фаз требует уникального сочетания условий. Нарушение хотя бы одного из них выводит систему из равновесия. Одна из фаз обречена на гибель. Зато появляется новая степень свободы. Иными словами, можно варьировать один из параметров (давление, температуру, концентрацию), сохраняя равновесие между остальными фазами.

В двухкомпонентной системе соль — лед — раствор — пар концентрация раствора тесно взаимосвязана с давлением и температурой.

Известно, что точка замерзания раствора ниже, а температура его кипения выше, чем у чистого растворителя. Давление паров над раствором тоже иное. Стало быть, состояние системы зависит от ее состава (в нашем случае от концентрации растворенного вещества). С другой стороны, концентрация сама зависит от внешних условий. Столбик ртути в термометре пополз вверх — растворимость соли растет. Концентрация тоже. А солевой осадок начинает потихоньку исчезать. Равновесие нарушено. И только при одном-единственном значении состава, которое соответствует определенному сочетанию остальных параметров, в нашей системе будут сосуществовать бок о бок все четыре фазы.

Столь уникальный режим — явление редкое в природе. Обычно температура меняется в широких пределах. От дня к ночи, от сезона к сезону. И все равно система стремится к равновесию. Пусть исчезла одна из фаз. Скажем, лед растаял. Количество растворителя увеличилось. Это вызвало понижение концентрации раствора. Немедленно соль начинает переходить в раствор. Так продолжается до тех пор, пока не восстановится равновесие. Правда, уже в трехфазной системе: соль — раствор — пар. При дальнейшем нагревании система опять будет сама регулировать равновесие, изменяя состав.

Получается, что система проходит через непрерывный ряд равновесных состояний. И все условия здесь однозначно связаны между собой какой-то определенной функциональной зависимостью. Замечательна эта гармония физических и химических сил!

Но можно ли алгеброй поверить гармонию? Если да, как? И только ли в растворах? А в сплавах?

Решению этих вопросов посвятил всю свою жизнь творец физико-химического анализа Николай Семенович Курнаков. Пересмотрев бытовавший в науке взгляд на химический индивид, он раздвинул горизонты химических исследований. Десятилетиями препаративная химия занималась погоней за идеально чистыми соединениями постоянного состава. Изучение их свойств считалось главной целью химии. А смеси, сплавы, растворы, которые саботировали закон постоянных и кратных отношений, неизбежно оставались вне поля зрения химии. Между тем с практической точки зрения они представляли зачастую куда больший интерес. Однако их исследование требовало свежего подхода, где аналитическая сноровка классической химии сочеталась бы с новыми инструментальными методами физики.

Такой подход дал физико-химический анализ. Перенеся центр тяжести на исследование фазы, новые методы позволили изучать химические индивиды, даже не выделяя их из смесей в абсолютно чистом состоянии. Более того: оказалось, что некоторые химические индивиды вообще невозможно выделить из системы. Вот уж где действительно химия столкнулась с самыми настоящими призраками! То, что они реально присутствуют в системе, физико-химический анализ доказывает со всей непреложностью. А в индивидуальном состоянии они не существуют!

Свежий взгляд открыл богатейшие россыпи теоретических находок, что до поры до времени лежали незамеченными прямо под ногами у химиков.

А дал ли что-нибудь физико-химический анализ практике?

«…„Кара-Бугаз“ по-туркменски означает „черная пасть“. Наподобие пасти залив беспрестанно сосет воды моря…

…прямой долг обязывал нас войти в это устрашающее горнило Азии. Тихим ходом мы двинулись в пролив, увлекаемые течением, и отдали якорь не ранее, чем синяя морская вода сменилась мертвой и серой водой залива.