Текст книги "Физика для всех. Движение. Теплота"

Автор книги: Александр Китайгородский

Соавторы: Лев Ландау
сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 28 страниц)

Как замерзают растворы

Если охладить раствор какой-либо соли в воде, то обнаружится, что температура замерзания понизилась. Нуль градусов пройден, а затвердевание не происходит. Только при температуре на несколько градусов ниже нуля в жидкости появятся кристаллики. Это кристаллики чистого льда, в твердом льде соль не растворяется.

Температура замерзания зависит от концентрации раствора. Увеличивая концентрацию раствора, мы будем уменьшать температуру кристаллизации. Самую низкую температуру замерзания имеет насыщенный раствор. Понижение температуры замерзания раствора совсем не малое: так, насыщенный раствор поваренной соли в воде замерзнет при −21 °C. При помощи других солей можно добиться еще большего понижения температуры; хлористый кальций, например, позволяет довести температуру затвердевания раствора до −55 °C.

Рассмотрим теперь, как идет процесс замерзания. После того как из раствора выпадут первые кристаллики льда, крепость раствора увеличится. Теперь относительное число чужих молекул возрастет, помехи процессу кристаллизации воды также увеличатся, и температура замерзания упадет. Если не понижать температуру далее, то кристаллизация остановится. При дальнейшем понижении температуры кристаллики воды (растворителя) продолжают выделяться. Наконец, раствор становится насыщенным. Дальнейшее обогащение раствора растворенным веществом становится невозможным, и раствор застывает сразу, причем если рассмотреть в микроскоп замерзшую смесь, то можно увидеть, что она состоит из кристалликов льда и кристалликов соли.

Таким образом, раствор замерзает не так, как простая жидкость. Процесс замерзания растягивается на большой температурный интервал.

Что получится, если посыпать какую-нибудь обледеневшую поверхность солью? Ответ на вопрос хорошо известен дворникам – как только соль придет в соприкосновение со льдом, лед начнет таять. Чтобы явление имело место, нужно, конечно, чтобы температура замерзания насыщенного раствора соли была ниже температуры воздуха. Если это условие выполнено, то смесь лед – соль находится в чужой области состояния, а именно в области устойчивого существования раствора. Поэтому смесь льда с солью и будет превращаться в раствор, т.е. лед будет плавиться, а соль растворяться в образующейся воде. В конце концов либо весь лед растает, либо образуется раствор такой концентрации, температура замерзания которого равна температуре среды.

Площадь дворика в 100 квадратных метров покрыта ледяной коркой в 1 см – это уже не мало льда, около одной тонны. Подсчитаем сколько соли нужно для очистки двора, если температура −3 °C. Такой температурой кристаллизации (таяния) обладает раствор соли с концентрацией 45 г/л. Примерно 1 л воды соответствует 1 кг льда. Значит, для таяния 1 т льда при −3 °C нужно 45 кг соли. Практически пользуются гораздо меньшими количествами, так как не добиваются полного таяния всего льда.

При смешении льда с солью лед плавится, а соль растворяется в воде. Но на плавление нужно тепло, и лед забирает его у своего окружения. Таким образом, добавление соли ко льду приводит к понижению температуры.

Мы привыкли сейчас покупать фабричное мороженое. Раньше мороженое готовили дома, и при этом роль холодильника играла смесь льда с солью.

Кипение растворов

Явление кипения растворов имеет много общего с явлением замерзания.

Наличие растворенного вещества затрудняет кристаллизацию. По тем же самым причинам растворенное вещество затрудняет и кипение. В обоих случаях чужие молекулы как бы борются за сохранение как можно более разбавленного раствора. Иными словами, чужие молекулы стабилизируют состояние основного вещества (т.е. способствуют его существованию), которое может их растворить.

Поэтому чужие молекулы мешают жидкости кристаллизоваться, а значит, понижают температуру кристаллизации. Точно так же чужие молекулы мешают жидкости кипеть, а значит, повышают ее температуру кипения.

Любопытно, что до известных пределов концентрации (для не очень крепких растворов) как понижение температуры кристаллизации раствора, так и повышение температуры кипения нисколько не зависит от свойств растворенного вещества, а определяется лишь количеством его молекул. Это интересное обстоятельство используется для определения молекулярного веса растворяемого вещества. Делается это при помощи замечательной формулы (мы не можем здесь привести ее), которая связывает изменение температуры замерзания или кипения с количеством молекул в единице объема раствора (и с теплотой плавления или кипения).

Температура кипения воды повышается раза в три меньше, чем понижается температура ее замерзания. Так, морская вода, содержащая примерно 3,5 % солей, имеет точку кипения 100,6 °C, в то время как температура ее замерзания понижается на 2°.

Если одна жидкость кипит при более высокой температуре, чем другая, то (при той же температуре) упругость ее пара меньше. Значит, упругость пара раствора меньше упругости пара чистого растворителя. О различии можно судить по следующим цифрам: упругость водяного пара при 20 °C равна 17,5 мм Hg, упругость пара насыщенного раствора поваренной соли при той же температуре 13,2 мм Hg.

Пар с упругостью 15 мм Hg, ненасыщенный для воды, будет пересыщен для насыщенного раствора соли. В присутствии такого раствора пар начнет конденсироваться и переходить в раствор. Разумеется, забирать водяной пар из воздуха будет не только раствор соли, но и соль в порошке. Ведь первая же капелька воды, выпавшая на соли, растворит ее и создаст насыщенный раствор.

Всасывание солью водяного пара из воздуха приводит к тому, что соль становится сырой. Это хорошо знакомо хозяйкам и доставляет им огорчения. Но это явление понижения упругости пара над раствором приносит и пользу: оно используется для сушки воздуха в лабораторной практике. Воздух пропускают через хлористый кальций, который является рекордсменом по забиранию влаги из воздуха. Если у насыщенного раствора поваренной соли упругость пара 13,2 мм Hg, то у хлористого кальция она 5,6 мм Hg. До такого значения упадет упругость водяного пара при пропускании его через достаточное количество хлористого кальция (1 кг которого «вмещает» в себя примерно 1 кг воды). Это ничтожная влажность, и воздух может считаться сухим.

Как очищают жидкости от примесей

Одним из важнейших способов очистки жидкостей от примесей является перегонка. Жидкость кипятят и направляют пар в холодильник. При охлаждении пар опять превращается в жидкость, но эта жидкость будет чище исходной.

При помощи перегонки легко избавиться от твердых веществ, растворенных в жидкости. Молекулы таких веществ практически отсутствуют в паре. Этим способом получают дистиллированную воду – совершенно безвкусную чистую воду, лишенную минеральных примесей.

Однако используя испарение, можно избавиться и от жидких примесей и разделить смесь, состоящую из двух или более жидкостей. При этом пользуются тем, что две жидкости, образующие смесь, кипят не одинаково «легко».

Посмотрим, как будет себя вести при кипении смесь двух жидкостей, например смесь воды и этилового спирта, взятых в равных пропорциях (50-градусная водка).

При нормальном давлении вода закипает при 100 °C, а спирт при 78 °C. Смесь, о которой идет речь, закипит при промежуточной температуре, равной 81,2 °C. Спирт кипит легче, поэтому упругость его пара больше, и при исходном пятидесятипроцентном составе смеси первая порция пара будет содержать 80 % спирта.

Полученную порцию пара можно отвести в холодильник и получить жидкость, обогащенную спиртом. Далее этот процесс можно повторять. Однако ясно, что практику такой способ не устроит – ведь с каждой последующей перегонкой будет получаться все меньше вещества. Чтобы такой потери не было, для целей очистки применяются так называемые ректификационные (т.е. очистительные) колонки.

Идея устройства этого интересного аппарата заключается в следующем. Представим себе вертикальную колонку, в нижней части которой находится жидкая смесь. К низу колонки подводится тепло, вверху производится охлаждение. Пар, образующийся при кипении, поднимется кверху и конденсируется; образовавшаяся жидкость стекает вниз. При неизменном подводе тепла к низу и отводе тепла сверху в закрытой колонке установятся встречные потоки пара, идущего кверху, и жидкости, стекающей вниз.

Остановим свое внимание на каком-либо горизонтальном сечении колонки. Через это сечение жидкость проходит вниз, а пар поднимается, при этом ни одно из веществ, входящих в состав жидкой смеси, не задерживается. Если речь идет о колонке, заполненной смесью спирта и воды, то количество спирта, проходящего вниз и вверх, так же как количество воды, проходящей вниз и вверх, будут равны. Так как вниз идет жидкость, а вверх пар, то это значит, что на любой высоте колонки состав жидкости и состав пара одинаковы. Как только что было выяснено, равновесие жидкости и пара смеси двух веществ требует, напротив, разного состава жидкой и парообразной фаз. Поэтому на любой высоте колонки происходит превращение жидкости в пар и пара в жидкость. При этом конденсируется высококипящая часть смеси, а из жидкости в пар переходит низкокипящая составляющая.

Поэтому идущий вверх поток пара будет как бы забирать со всех высот низкокипящую составляющую, а стекающий вниз поток жидкости будет непрерывно обогащаться высококипящей частью. Состав смеси на каждой высоте установится различный: чем выше, тем больше процент низкокипящей составляющей. В идеале наверху будет слой чистой низкокипящей составляющей, а внизу – слой чистой высококипящей.

Теперь надо, только по возможности медленно, чтобы не нарушить обрисованной идеальной картины, отбирать вещества, низкокипящее – сверху, а высококипящее – снизу.

Для того чтобы практически осуществить разделение, или ректификацию, надо дать возможность встречным потокам пара и жидкости как следует перемешиваться. Для этой цели потоки жидкости и пара задерживают при помощи тарелок, расположенных одна над другой и сообщающихся сливными трубками. С переполненной тарелки жидкость может стекать на нижние ступеньки. Пар, идущий вверх быстрым потоком (0,3 – 1 м/с), прорывается через тонкий слой жидкости. Схема колонки показана на рис. 107.

Не всегда удается очистить жидкость полностью. Некоторые смеси обладают «неприятным» свойством: при определенном составе смеси соотношение компонент испаряющихся молекул такое же, что и соотношение компонент в жидкой смеси. В этом случае, разумеется, дальнейшая очистка описанным способом становится невозможной. Такова смесь, содержащая 96 % спирта и 4 % воды: она дает пар такого же состава. Поэтому 96 %-ный спирт – самый лучший, который можно получить методом испарения.

Ректификация (или дистилляция) жидкостей является важнейшим процессом в химической технологии. При помощи ректификации добывают, например, бензин из нефти.

Любопытно, что ректификация является наиболее дешевым способом получения кислорода. Для этого, разумеется, надо предварительно перевести воздух в жидкое состояние, после чего можно ректификацией разделить его на почти чистые азот и кислород.

Очистка твердых тел

На склянке с химическим веществом, как правило, можно увидеть рядом с химическим названием такие буквы: «ч.», «ч.д.а.» или «сп.ч.». Этими буквами условно отмечают степень чистоты вещества: «ч.» означает весьма небольшую степень чистоты – в веществе, возможно, есть примеси порядка 1 %; «ч.д.а.» – вещество «чистое для анализа» – содержит не более нескольких десятых процента примесей; «сп.ч.» – спектрально чистое вещество – получить нелегко, спектральный анализ обнаруживает тысячные доли примеси. Надпись «сп.ч.» позволяет надеяться, что вещество по своей чистоте характеризуется по крайней мере «четырьмя девятками», т.е. что содержание основного вещества не менее 99,99 %.

Потребность в чистых твердых веществах весьма велика. Для многих физических свойств вредны тысячные доли процента примесей, а в одной специальной задаче, чрезвычайно интересующей современную технику, а именно в задаче получения полупроводниковых материалов, техники требуют чистоты в семь девяток. Это значит, что решению инженерных задач мешает один ненужный атом на десять миллионов нужных! Для получения таких сверхчистых материалов прибегают к специальным методам.

Сверхчистые германий и кремний (это и есть главные представители полупроводниковых материалов) можно получить медленным вытягиванием растущего кристалла из расплава. К поверхности расплавленного кремния (или германия) подводят стержень, на конце которого укреплен затравочный кристалл. Затем начинают медленно поднимать стержень; вылезающий из расплава кристалл образуется атомами основного вещества, атомы примеси остаются в расплаве.

Более широкое применение получил метод так называемой зонной плавки. Из очищаемого элемента приготовляется пруток произвольной длины диаметром в несколько миллиметров. Вдоль прутка перемещается охватывающая его маленькая цилиндрическая печь. Температура печи достаточна для плавления, и участок металла, находящийся внутри печи, плавится. Таким образом, вдоль стержня передвигается маленькая зона расплавленного металла.

Атомы примеси обычно значительно легче растворяются в жидкости, чем в твердом теле. Поэтому на границе расплавленной зоны атомы примеси из твердых участков переходят в расплавленную зону и не переходят обратно. Передвигающаяся расплавленная зона как бы тащит атомы примеси вместе с расплавом. При обратном ходе печь выключается и операция протаскивания расплавленной зоны через пруток металла многократно повторяется. После достаточного числа циклов остается лишь отпилить загрязненный конец прутка. Сверхчистые материалы получают в вакууме или в атмосфере инертного газа.

При большой доле чужих атомов очистку производят другими методами, зонную плавку и вытягивание кристалла из расплава применяют лишь для окончательной очистки материала.

Адсорбция

Газы редко растворяются в твердых телах, т.е. редко проникают внутрь кристаллов. Зато существует иной способ поглощения газов твердыми телами. Молекулы газа скапливаются на поверхности твердого тела – это своеобразное прилипание называется адсорбцией *1313
  Не следует путать адсорбцию с абсорбцией, которая означает просто поглощение.


[Закрыть]. Итак, адсорбция происходит тогда, когда молекула не может проникнуть внутрь тела, но зато успешно цепляется за его поверхность.

Адсорбироваться – это значит поглощаться поверхностью. Но разве может такое явление играть сколько-нибудь значительную роль? Ведь слой толщиной в одну молекулу, нанесенный на самый крупный предмет, будет весить ничтожные доли грамма.

Подсчитаем. Площадь небольшой молекулы – что-нибудь около 10 кв. ангстрем, т.е. 10 ⁻¹⁵см ². Значит, на 1 см ²уместится 10 ¹⁵молекул. Такое количество молекул, скажем, воды весит немного, 3·10 ⁻⁸г. Даже на квадратном метре разместится всего 0,0003 г воды.

Заметные количества вещества образуются на поверхностях в сотни квадратных метров. На 100 м ²приходится уже 0,03 г воды (10 ²¹молекул).

Но разве мы сталкиваемся с такими значительными поверхностями в лабораторной практике? Однако нетрудно сообразить, что иногда совсем маленькие тела, умещающиеся на конце чайной ложечки, имеют огромные поверхности в сотни квадратных метров.

Кубик со стороной в 1 см имеет площадь поверхности 6 см ². Разрежем кубик на 8 равных кубиков со стороной 0,5 см. Маленькие кубики имеют грани площадью 0,25 см ². Всего таких граней 6 × 8 = 48. Их общая площадь равна 12 см ². Поверхность удвоилась.

Итак, всякое раздробление тела увеличивает его поверхность. Раздробим теперь кубик со стороной 1 см на частички размером в 1 микрон. 1 микрон = 10 ⁻⁴см, значит большой кубик разобьется на 10 ¹²частиц. Каждая частичка (для простоты допустим, что и она кубическая) имеет площадь 6 кв. микрон, т.е. 6·10 ⁻⁸см ². Общая площадь частиц равна 6·10 ⁴см ², т.е. 6 квадратным метрам. А дробление до микрона совсем не является пределом.

Вполне понятно, что удельная поверхность (т.е. поверхность одного грамма вещества) может выражаться огромными цифрами. Она быстро растет по мере измельчения вещества – ведь поверхность зернышка уменьшается пропорционально квадрату размера, а число зерен в единице объема растет пропорционально кубу размера. Грамм воды, налитой на дно стакана, имеет поверхность в несколько квадратных сантиметров. Тот же грамм воды в виде дождевых капель уже будет иметь поверхность, измеряемую десятками квадратных сантиметров. А один грамм капелек тумана имеет поверхность в несколько сот квадратных метров.

Если раздробить уголь (чем мельче, тем лучше), то он способен адсорбировать аммиак, углекислоту, многие ядовитые газы. Это последнее свойство обеспечило углю применение в противогазе. Уголь дробится особенно хорошо, и линейные размеры его частиц могут быть доведены до десятка ангстрем. Поэтому один грамм специального угля имеет поверхность в несколько сотен квадратных метров. Противогаз с углем способен поглотить десятки литров газа.

Адсорбция широко используется в химической промышленности. Молекулы различных газов, адсорбируясь на поверхности, приходят в тесное соприкосновение одна с другой и легче вступают в химические реакции. Для ускорения химических процессов часто используют как уголь, так и мелко раздробленные металлы – никель, медь и другие.

Вещества, ускоряющие химическую реакцию, называются катализаторами.

Осмос

Среди животных тканей есть своеобразные пленки, которые обладают способностью пропускать через себя молекулы воды, оставаясь непроницаемыми для молекул растворенных в воде веществ.

Свойства этих пленок являются причиной физических явлений, носящих название осмотических (или просто осмоса).

Представьте себе, что такая полупроницаемая перегородка делит на две части трубку, изготовленную в форме перевернутой буквы П. В одно колено трубки наливается раствор, а в другое колено – вода или другой растворитель. Налив в оба колена одинаковое количество жидкостей, мы с удивлением установим, что при равенстве уровней равновесия нет. Через короткое время жидкости устанавливаются на разных уровнях. При этом повышается уровень в том колене, где находится раствор. Вода, отделенная от раствора полупроницаемой перегородкой, стремится разбавить раствор. Это явление и носит название осмоса, а разность высот называется осмотическим давлением.

В чем же причина, вызывающая осмотическое давление?

В правом колене сосуда (рис. 108) давление осуществляется одной лишь водой. В левом колене полное давление складывается из давления воды и давления растворенного вещества. Но сообщение открыто только для воды, и равновесие при наличии полупроницаемой перегородки устанавливается не тогда, когда давление слева равно полному давлению справа, а тогда, когда давление чистой воды равно «водяной» доле давления раствора. Возникающая разница полных давлений равна давлению растворенного вещества.

Этот избыток давления и есть осмотическое давление. Как показывают опыты и расчет, осмотическое давление равняется давлению газа, состоящего из растворенного вещества, занимающего тот же объем. Неудивительно поэтому, что осмотическое давление измеряется внушительными числами.

Вычислим осмотическое давление, возникающее в 1 л воды при растворении 20 г сахара (концентрация сахара в стакане чая, наверное, больше). Молекулярный вес сахара, имеющего химическую формулу С ₁₂Н ₂₂О ₁₁, равен 342. В одном литре по условию задачи находится 20/342 долей моля сахара. Таким образом, на один моль сахара приходится объем 342/20 = 17,1 л. Но при «нормальных» условиях 0 °C и 1 атм давления один моль газа занимает 22,4 л. Соответственно законам идеальных газов давление рассматриваемого как газ сахара при 0° равнялось бы 22,4/17,1 атм, а при 20 °C (22,4/17,1)·(293/273) = 1,4 атм.

Это и есть осмотическое давление сахара. В опыте с полунепроницаемой пленкой это осмотическое давление уравновесило бы столб воды высотой в 14 м.

Рискуя возбудить у читателя неприятные воспоминания, разберем теперь, как связано с осмотическим давлением слабительное действие растворов некоторых солей. Стенки кишечника полупроницаемы для ряда растворов. Если соль через стенки кишечника не проходит (такова глауберова соль), то в кишечнике возникает осмотическое давление, которое отсасывает воду через ткани из организма в кишечник.

Почему очень соленая вода не утоляет жажды? Оказывается, и в этом виновато осмотическое давление. Почки не могут выделять мочу с осмотическим давлением, которое больше, чем давление в тканях организма. Поэтому организм, получивший соленую морскую воду, не только не отдает ее тканевым жидкостям, но, напротив, выделяет с мочой воду, отнятую у тканей.