Текст книги "Книга по химии для домашнего чтения"

Автор книги: Борис Степин

Соавторы: Людмила Аликберова
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 27 страниц)

4.61. ЕДИНСТВЕННЫЙ ИЗОТОП?

В природе насчитывается 21 элемент, у которых всего один стабильный изотоп. Такие элементы называют изотопночистыми. Среди них бериллий Be, фтор F, натрий Na, алюминий Al, фосфор Р, иод I, золото Au, висмут Bi, торий Th и др. Наибольшее число изотопов (десять) имеет элемент олово Sn.

4.62. НЕВИДИМАЯ И НЕУЛОВИМАЯ, НО ОЩУТИМАЯ ЧАСТИЦА

Все физики уверены в существовании самых элементарных частиц в ядрах атомов – кварков, находящихся внутри протонов, нейтронов и других частиц ядер. Выделить же кварки в свободном виде пока никак не удается, кварк остается неуловимым.

Кварки – универсальный «строительный материал» сильновзаимодействующих частиц ядра. Все окружающие нас вещества можно создать из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка, а в качестве «цемента» понадобятся еще три частицы, не имеющие массы, – фотон, глюон и гравитон. Фотоны привязывают электроны к ядру атома, глюоны склеивают кварк и антикварк в ядре, а гравитоны «цементируют» космические объекты: планеты, звезды и галактики.

Например, протон состоит из трех кварков. При взаимодействии двух любых кварков один из них испускает глюон, другой его поглощает. Кварки и глюоны несут особый «склеиватель» – цветовой заряд, не имеющий ничего общего с электрическим зарядом. Глюоны – удивительные частицы. Они обладают свойством самоликвидации и саморазмножения: глюон может испускать и поглощать глюоны.

Интересно, что действие глюонов на кварки увеличивается по мере их удаления от порождающих их кварков. Кварки связаны глюонами слабее всего, когда они находятся близко друг к другу. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возрастает стягивающее их глюонное поле. Другими словами, кварки становятся свободными не вне протонов и нейтронов ядра, а наоборот, глубоко внутри этих частиц. Этим, видимо, и объясняется невозможность разделить кварки, выбить какой-либо из них из ядра атома.

4.63. ЧАСТИЦА, ПРОНИКАЮЩАЯ СКВОЗЬ ЗЕМЛЮ И СОЛНЦЕ

Такой частицей является нейтрино (символ ν, греч. буква «ню») – стабильная частица, не имеющая ни массы, ни заряда, обладающая скоростью света. Чтобы отличить ее от тяжелого нейтрона, также не имеющего заряда, итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) назвал эту частицу «нейтрино» как нечто исчезающе малое, нейтральное.

При радиоактивном распаде ядер атомов выбрасываемый позитрон е⁺ всегда сопровождается нейтрино ν_e, а выбрасываемый электрон e^- – двойником нейтрино, называемым антинейтрино ν^-_e. Антинейтрино отличается от нейтрино только характером своего движения – он вворачивается в направлении полета как штопор.

Появление нейтрино и антинейтрино из распадающихся ядер связано с ядерными реакциями:

n⁰ → p⁺ +e^-↑ + ν^-_e↑; p⁺ → n⁰ + e⁺↑ + ν_e↑

Нейтрино и антинейтрино не содержатся в ядре, а образуются в момент вылета из него позитрона или электрона.

Вся земная кора за счет радиоактивного распада атомов излучает в секунду 2∙10²⁶ антинейтрино, которые пронизывают Землю и живущих на ней людей, не причиняя им никакого вреда. Каждую секунду через человеческое тело пролетает 1750 антинейтрино. C веществом нейтрино и антинейтрино не взаимодействуют и поэтому в нем не задерживаются. На нашем Солнце в результате ядерного «горения» атомов водорода вместе с позитронами рождается в секунду 2∙10³⁸ нейтрино, обрушивающихся на Землю. В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино и антинейтрино, есть и «нейтринные звезды».

5. О НЕКОТОРЫХ УДИВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВАХ ВЕЩЕСТВ

Известно, что люди могут быть похожими и непохожими друг на друга. Но каждый человек как личность уникален и неповторим. Подобным образом каждое вещество – «химический индивидуум» – тоже имеет свой собственный и неповторимый внешний облик, «характер», «привычки». О примечательных свойствах химических веществ пойдет речь в этом разделе.

5.1. ХРУПКАЯ ЗЕМНАЯ АТМОСФЕРА

Земная атмосфера сформировалась за счет выделения газов из горных пород и анаэробного фотосинтеза. Около 4 млрд., лет тому назад кислорода в атмосфере Земли не было. Она состояла из азота N₂, диоксида углерода CO₂ и водорода H₂. Появление в воде океанов простейших живых организмов, в частности сине– зеленых водорослей, 2,5 млрд., лет тому назад стало началом появления и кислорода в атмосфере. Эти водоросли в ходе синтеза своих углеводов усваивали водород из воды, а углерод – из растворенного в воде CO₂, одновременно выделяя кислород. Понадобилось около 20 000 лет, чтобы содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня.

В настоящее время в атмосфере содержится 21% (по объему) кислорода, или 10¹⁵ т. Несмотря на постоянное участие O₂ в окислительных процессах, его содержание в атмосфере практически не изменяется из-за продолжающегося процесса фотосинтеза.

Если бы в атмосфере содержалось менее 15% O₂, то обычный процесс горения стал бы невозможным. При концентрации O₂ более 30% первый же удар молнии сжег бы все на Земле: в этом случае даже сырая древесина горит как порох.

5.2. ДИОКСИД УГЛЕРОДА В РОЛИ «НОСИЛЬЩИКА»

Диоксид углерода способен под землей перемещать тысячи тонн известняка. Как это происходит?

Диоксид углерода CO₂ (углекислый газ) неплохо растворим в воде. Поэтому в природных речных, почвенных водах обычно высока концентрация растворенного CO₂. В водном растворе он частично переходит в гидрат, который затем превращается в угольную кислоту:

CO₂∙H₂O ↔ H₂CO₃.

Среда этого раствора слабокислая из-за появления ионов оксония H₃O⁺:

H₂CO₃ + H₂O ↔ HCO^-₃ + H₃O⁺ .

Однако и этой кислотности достаточно, чтобы при проникновении по трещинам породы грунтовых вод в толщу известнякового пласта (известняк – это карбонат кальция CaCO₃) прошла реакция

CaCO₃ + HCO^-₃ + H₃O⁺ = Ca²⁺ + 2 HCO^-₃ + H₂O

или

CaCO₃ + H₂CO₃ = Ca(HCO₃)₂

с образованием хорошо растворимого в воде гидрокарбоната кальция Ca(HCO₃)₂. Так на месте известковых толщ образуются огромные полости в земной коре – карстовые пещеры.

Интересно, что гидрокарбонат кальция в свободном виде не существует; при попытке выделить его выпариванием воды кристаллизуется карбонат кальция:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑.

Грунтовые воды, содержащие Ca(HCO₃)₂, могут перемещаться в земной коре на значительные расстояния и, испаряя в подходящих условиях воду, выделяют карбонат кальция – известняк, кальцит. Это происходит зачастую очень далеко от места растворения исходного карбоната кальция (см. 3.23).

5.3. ЧЕМ НАДУТ ТЕННИСНЫЙ МЯЧ?

Знаете ли вы, что теннисные мячи не надувают, а вводят в них специальные вещества – «вздуватели»?

«Вздуватели» – это вещества, которые при нагревании разлагаются с образованием газообразных продуктов. В теннисные мячи (заготовки которых в виде двух полусфер изготовлены предварительно и смазаны клеем) кладут таблетки, содержащие смесь нитрита натрия NaNO₂ и хлорида аммония NH₄Cl. Склеенные половинки мяча помещают в форму для вулканизации и нагревают. Происходит химическая реакция

NaNO₂ + NH₄Cl = NaCl + 2Н₂O + N₂↑.

Выделившийся азот создает в мяче повышенное давление.

5.4. «ПОРОШОК ЛИБИХА» ВМЕСТО ДРОЖЖЕЙ

«Порошок Либиха» (см. 2.17) применяли раньше для приготовления ржаного теста. В его состав входят пищевая сода – гидрокарбонат натрия NaHCO₃ и лимонная кислота (НООССН₂)₂С(ОН)СООН (см. 3.28). Его действие, как и других заменителей дрожжей, заключается в выделении газообразного диоксида углерода, разрыхляющего тесто:

3NaHCO₃ + (СН₂СООН)₂С(ОН)СООН = (CH₂COONa)₂C(OH)COONa + 3CO₂↑ + 3Н₂O.

Современные разрыхлители для теста включают в свой состав гидрокарбонат натрия и какие-либо пищевые кислоты, или гидрокарбонат аммония, который при нагревании разлагается с выделением диоксида углерода CO₂, аммиака NH₃ и воды:

NH₄HCO₃ = NH₃↑ + CO₂↑ + H₂O.

Газообразные продукты этой реакции делают тесто пористым (см. 6.4).

5.5. ОБНАЖАЯ МЕТАЛЛ

При пайке металлов используют нашатырь и канифоль. Зачем?

Нашатырь (см. 1.44) – это хлорид аммония NH₄Cl, его используют для травления – очистки поверхности паяльника и спаиваемого изделия от оксидов металлов. Применение его основано на том, что при повышенной температуре хлорид аммония подвергается термическому разложению на аммиак NH₃ и хлороводород HCl (см. 1.44):

NH₄Cl = NH₃ + НСl.

Образующиеся аммиак и HCl реагируют с оксидом меди на горячей поверхности медного паяльника:

3CuO + 2NH₃ = 3Cu + N₂↑ + 3H₂O↑,

CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O↑.

В результате обнажается чистая поверхность металла, которая может «смачиваться» расплавленным оловом или сплавом – припоем.

Канифоль представляет собой сложную смесь органических кислот и ненасыщенных углеводородов, ее получают после отгонки скипидара из смолы хвойных растений. Взаимодействие компонентов канифоли с оксидами металлов при высокой температуре ведет к восстановлению этих оксидов до металла. Кроме того, расплав канифоли защищает поверхность «жала» паяльника и спаиваемое изделие от контакта с воздухом, а значит, и от окисления.

5.6. ВОДА НА ЛЮБОЙ ВКУС

Кроме хорошо известной всем воды состава H₂O, существуют и другие «воды»: хлорная, бромная, сероводородная. Это водные растворы хлора Cl₂, брома Br₂ и сероводорода H₂S. Есть и совсем таинственные названия. Так, «лабарракову воду» получают, пропуская хлор в разбавленный водный раствор гидроксида натрия NaOH (см. 3.39). При этом протекает реакция с образованием хлорида натрия NaCl и оксохлората натрия NaClO:

Cl₂ + 2NaOH = NaCl + NaClO + H₂O.

Используют «лабарракову воду» для отбеливания тканей. Отбеливание основано на окислении загрязняющих веществ оксохлоратом водорода HClO (хлорноватистой кислотой), образующимся при действии угольной кислоты H₂CO3, всегда присутствующей в воде, при ее контакте с воздухом:

NaClO + H₂CO₃ = NaHCO₃ + HClO.

Если пропускать хлор в раствор гидроксида калия КОН, то получается «жавелевая вода», которую используют для тех же целей:

Cl₂ + 2KOH = KCl + KClO + H₂O.

«Фагеденическая вода» – это фармацевтический препарат, который готовят, смешивая известковую воду (см. 3.23) с раствором хлорида ртути HgCl₂:

Ca(OH)₂ + HgCl₂ = CaCl₂ + HgO↓ + H₂O.

После смешения образуется суспензия (взвесь) тонкодисперсного желтого оксида ртути HgO в водном растворе хлорида кальция CaCl₂. «Фагеденическую воду» используют при лечении кожных болезней.

5.7. НЕ ПОТУШИТЬ ВОДОЙ

Во время лабораторной работы загорелись кусочки магния. Их пытались залить водой, но произошел взрыв и пламя усилилось. Тогда стали засыпать чашку с горящим магнием песком, но горение не прекратилось. Что же в таком случае делать?

Горящий магний Mg активно взаимодействует с водой:

Mg + H₂O = MgO + H₂↑

с выделением водорода H₂, который с кислородом воздуха O₂ дает взрывоопасные смеси. Песок SiO₂ также вступает в реакцию с горящим магнием с выделением большого количества энергии в форме теплоты с образованием оксида магния MgO и аморфного кремния Si:

2Mg + SiO₂ = 2MgO + Si.

Только асбестовая вата (см. 10.27) и мелкая железная стружка тушат горящий магний.

5.8. АКТИВНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Один из лаборантов, зная, что литий и калий взаимодействуют с кислородом и влагой воздуха, решил их сохранить в сосудах, заполненных азотом. Что он обнаружил через неделю?

Вместо блестящих серебристых кусочков лития он увидел в сосуде рыхлые зеленовато-черные комочки. Калий же сохранил свой первоначальный металлический блеск. Литий Li, в отличие от калия K и остальных щелочных металлов, реагирует с азотом N₂ в обычных условиях с образованием нитрида:

6Li + N₂ = 2Li₃N.

Поэтому хранить литий можно только в атмосфере аргона Ar или под слоем обезвоженного вазелинового или парафинового масла, а также в тонкостенных герметичных оболочках – тубах из алюминия или меди.

5.9. «ТЕСТО» ПРЕВРАЩАЕТСЯ В КАМЕНЬ

Какой «гипс» твердеет при добавлении воды?

Порошок природного минерала гипса CaSO₄∙2Н₂O при смешении с водой не затвердевает. При нагревании до 150–170° C он теряет ³/₄ содержащейся в нем воды:

CaSO₄∙2Н₂O = CaSO₄∙0,5Н₂О + 1,5Н₂О↑

и превращается в «жженый гипс», который часто называют строительным гипсом, или просто алебастром. Если тонкоразмолотый алебастр – полугидрат сульфата кальция CaSO₄∙0,5Н₂О – замесить с водой, то полученное жидкое «тесто» скоро застывает в твердую массу тонковолокнистых кристаллов гипса CaSO₄∙2Н₂O, переплетенных между собой. Этот процесс широко применяют при изготовлении копий скульптур, моделей, барельефов, а также в медицине для гипсования при переломах конечностей. Надо отметить, что гипс, потерявший всю воду, превращается в безводный сульфат кальция CaSO₄ и уже не обладает способностью быстро «схватываться» при взаимодействии с водой. Безводный сульфат кальция (в природе он присутствует в виде минерала ангидрита, см. 3.40) в контакте с водой лишь очень медленно присоединяет воду, превращаясь в гипс CaSO₄∙2Н₂O. При этом, как и при затвердевании алебастра, объем исходной смеси увеличивается.

5.10. ЧУДЕСА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Гидроксиды почти всех металлов при нагревании до высоких температур разлагаются, теряя молекулы воды. Удивительно, но удаление последних порций воды при прокаливании гидроксида хрома CrO(OH) ведет к самопроизвольному разогреву образца.

Еще Берцелиус (см. 2.19) наблюдал, что в момент удаления последних следов воды из гидроксида хрома происходит резкое повышение температуры, приводящее к тому, что вещество раскаляется докрасна. Дальнейшие исследования показали, что это явление вызвано внезапной кристаллизацией оксида хрома Cr₂O₃. Кристаллическая решетка этого соединения очень прочна, и при ее образовании выделяется много энергии в форме теплоты. Кристаллизация происходит ниже температуры плавления Cr₂O₃, составляющей около 2200° С. Подобное явление наблюдается при обезвоживании гидроксидов скандия Sc, титана Ti, циркония Zr, тантала Та и железа Fe.

5.11. КАКОЙ ЛЕД ТОНЕТ?

Если замораживать водный раствор диоксида серы SO₂, то сначала кристаллизуется не обычный лед, а соединение включения (клатрат) диоксида серы состава SO₂∙(6±x)H₂O. Молекулы воды при помощи водородных связей образуют своеобразную «клетку», во внутренней полости которой находится молекула SO₂. Плотность такого клатрата в твердом состоянии на 25% больше плотности воды. Значит, «клатратный лед» тонет в воде.

5.12. НЕЗВАНЫЙ ГОСТЬ

Пропускание газообразного хлора в ледяную воду приводит к выделению желтозеленых кристаллов. Это кристаллический гидрат хлора состава 8Сl₂∙46Н₂O, устойчивый при температуре ниже 9,6° С. Подобные вещества относят к клатратам, или соединениям включения. Они образованы путем внедрения молекул хлора («гостей») в полости кристаллического каркаса, состоящего из молекул воды («хозяев»). Впервые с этим явлением столкнулся Дэви в 1811 г. (см. 9.16). Гидраты способны образовывать и другие газы: оксид диазота N₂O, ацетилен C₂H₂, метан CH₄, азот N₂, кислород O₂ и даже благородные (инертные) газы аргон Ar, криптон Kr и ксенон Xe.

5.13. ЧЕМ ДЫМИТ «ДЫМЯЩАЯ СЕРНАЯ КИСЛОТА»?

Серная кислота H₂SO4 (см. 1.49) может растворять свой ангидрид (см. 3.40) – кислотный оксид, триоксид серы SO₃; при этом образуются полисерные кислоты:

H₂SO₄ + nSO₃ = H₂S_n+1O_4+3n.

К ним относят дисерную H₂S2O7, трисерную H₂S3O10 и другие кислоты. Полисерные кислоты называют еще «олеумом» (т. е. маслообразной жидкостью) или «нордгаузенским купоросным маслом». Это и есть «дымящая серная кислота». Полисерные кислоты выделяют на воздухе газообразный SO₃, который, взаимодействуя с влагой воздуха, и вызывает появление «дыма», или тумана мельчайших капелек серной кислоты:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

5.14. ЦВЕТНОЙ СИЛИКАГЕЛЬ

Зачем в оптические приборы помещают мешочки с синими гранулами?

Для обнаружения и поглощения примеси влаги из воздуха используют силикагель (гранулированный пористый диоксид кремния SiO₂), пропитанный хлоридом кобальта CoCl₂ и тщательно высушенный. Когда хлорид кобальта безводный – гранулы силикагеля синие или голубые, при поглощении влаги образуется аквакомплекс [Со(Н₂O)₆]Сl₂, и цвет гранул меняется на розовый.

5.15. ПОМОЩНИК РЕВИЗОРА

Во время ревизии на складе реактивов проверяющие мгновенно обнаружили, что бутыль с надписью «абсолютный этиловый спирт» содержит не безводный спирт, а его водный раствор.

Один из ревизоров взял из бутыли небольшую по объему пробу спирта и добавил к ней щепотку бесцветного обезвоженного сульфата меди CuSO₄ (см. 1.47) и слегка встряхнул пробирку с пробой. Бесцветные кристаллы сразу же стали голубыми:

CuSO₄ + 5Н₂O = CuSO₄∙5Н₂O.

Вода превращает белый порошок сульфата меди в ярко-голубой пентагидрат сульфата меди… А ведь в «абсолютном» спирте воды быть не должно!

5.16. ПОЧЕМУ СИНЕЕТ ХЛОРИД КОБАЛЬТА?

Гексагидрат хлорида кобальта CoCl₂∙6Н₂O как в кристаллическом состоянии, так и в виде водного раствора имеет розовый цвет, но его раствор в ацетоне синий.

Ацетон извлекает из аквакатиона [Co(H₂O)₆]²⁺ две молекулы воды, непосредственно связанной с кобальтом, при этом образуется аквакатион другого состава – [Co(H₂O)₄]²⁺ :

[Со(Н₂O)₆]Сl₂ = [Со(Н₂O)₄]Сl₂ + 2Н₂O.

Это и ведет к изменению окраски раствора.

5.17. ЕСЛИ ПОСОЛИТЬ «ГАЗИРОВКУ»

Если в стакан с газированной водой бросить щепотку соли, то растворенный газ – диоксид углерода CO₂ – сразу начнет выделяться. Почему?

Объяснение этому обыденному явлению будет не таким уж простым. Вспомним, что в чистой воде газ растворим лучше, чем в растворе соли, а газированная вода – это пересыщенный раствор диоксида углерода CO₂ (углекислого газа) в воде. Чтобы избыток газа выделился, нужны «зародыши», например микропузырьки воздуха. Однако добавление к газированной воде речного песка не приведет к выделению газа. Правильное объяснение включает два механизма процесса: как только кристаллы соли попадут в стакан, они начнут растворяться, и вокруг них образуется пленка концентрированного раствора; в результате растворимость газа вблизи кристаллов резко уменьшается, появляются маленькие пузырьки газа – «зародыши». Как только «зародыши» вырастают, они отрываются от кристаллов, и в соприкосновение с солью приходят новые порции раствора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся соль не растворится или пока не выделится весь диоксид углерода.

Если посолить нагретую до 70–80° C водопроводную воду, она «вскипает» от выделившихся пузырьков растворенного воздуха. Объяснение этому явлению – то же.

5.18. ЭТО ВСЕГО ЛИШЬ КАРБОНАТЫ

И стеклянные, и хрустальные вазы покрываются изнутри налетом, если в них слишком долго держать в воде цветы. Чтобы избавиться от налета, рекомендуют обработать стекло слабым раствором кислоты.

Налет на стекле – это карбонат кальция CaCO₃, частично – магния MgCO₃ или железа FeCO₃, которые появляются из-за взаимодействия гидрокарбонатов этих металлов [M(HCO₃)₂, где M = Mg, Ca, Fe], всегда присутствующих в воде («солей жесткости»), аммиаком NH₃ (см. 1.44) и органическими аминами сока растений например, CH₃NH₂, которые в водной среде дают щелочную реакцию:

NH₃ + H₂O ↔ NH₃∙H₂O ↔ NH⁺₄ + OH^-,

CH₃NH₂ + H₂O ↔ CH₃ NH⁺₃ + OH^-.

Появление в воде ионов ОН^- приводит к осаждению на стекле карбонатов:

Ca(HCO₃)₂ + OH^- = CaCO₃↓ + HCO^-₃ + H₂O.

Осадки карбонатов, в частности карбонат кальция, могут быть разрушены многими кислотами, в том числе даже уксусной CH₃COOH (см. 1.50):

CaCO₃ + 2СН₃СООН = Ca(CH₃COO)₂ + CO₂↑ + H₂O.

5.19. «ХИМИЧЕСКАЯ ГРЕЛКА»

Известно несколько видов «обыкновенных химических грелок». Устройство их очень простое: обычно это два пакета (маленький и большой) из водонепроницаемого и химически стойкого материала (пленки, ткани). Внутри маленького пакета – вещество или смесь веществ. Чтобы грелка начала работать, сюда надо добавить немного воды и перемешать содержимое пакета. Потом пакет закрывают, вставляют в большой и еще раз тщательно закупоривают; теперь грелкой можно пользоваться. Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция CaO (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция (см. 3.23):

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70–80° С. В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей. Совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (Al) стружки с солями меди (например, CuCl₂) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100ºC за счет реакции:

Fe + CuCl₂ = FeCl₂ + Cu↓.

При этом грелка, в которой хлорид меди CuCl₂ превращается в хлорид железа FeCl₂, сохраняет тепло около десяти часов.

5.20. УДИВИТЕЛЬНЫЙ БОЛОТНЫЙ ГАЗ

Грибники нашли в лесу небольшое болото, из которого вырывались местами пузырьки какого-то газа. От спички газ вспыхнул, и слабосветящееся пламя стало блуждать по болоту.

Этот газ – метан CH₄, бесцветный горючий газ, малорастворимый в воде. Он образуется при разложении органических веществ без доступа воздуха. Раньше этот газ так и называли – «болотный газ». Смесь метана с воздухом, или «рудничный газ», нередко накапливается в угольных шахтах и представляет большую опасность для шахтеров (см. 7.13). Горение метана сопровождается большим выделением энергии в форме теплоты:

CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + 2Н₂O↑.

В лаборатории метан можно получить нагреванием смеси ацетата натрия CH₃COONa и гидроксида натрия NaOH:

CH₃COONa + NaOH = CH₄↑ + Na₂CO₃.

Метан добывается вместе с другими легкокипящими углеводородами в очень больших количествах на газовых промыслах и используется как топливо и как химическое сырье.

5.21. КАКОГО ЦВЕТА ПОВАРЕННАЯ СОЛЬ?

Чистая поваренная соль бесцветна (см. 10.51). «Деликатесная», или «царская», поваренная соль нежно-розового цвета и с приятным ароматом, содержит микроскопические водоросли, попавшие в нее из воды соляного озера. Встречается и соль синего цвета.

В природе синяя поваренная, или каменная, соль (хлорид натрия NaCl) – большая редкость. А в лаборатории ее получить не так уж трудно. Для этого в плотно закрытом сосуде нагревают смесь металлического натрия и хлорида натрия. Металл способен растворяться в соли. При этом атомы натрия Na проникают в кристаллическую решетку, состоящую из ионов Na⁺ и Cl^-. Атомы натрия достраивают решетку, занимая подходящие места и превращаясь в катионы Na⁺. А освободившиеся электроны располагаются в тех узлах кристаллической решетки, где полагалось бы находиться анионам Cl^-. Такие необычные узлы решетки, занятые электронами, называют вакансиями, или F-центрами (от немецкого Farbe – цвет). При охлаждении кристалла некоторые F-центры объединяются, образуя ассоциаты, включающие 10–1000 атомов натрия, – это и служит причиной появления окраски кристаллов. Кстати, при растворении синих кристаллов в воде образуется бесцветный раствор – совсем как из обычной поваренной соли. В природной каменной соли F-центры образуются под действием излучения, сопровождающего радиоактивные превращения.

5.22. ЦЕПИ КНЯЗЯ БАГРАТИОНА

Какое отношение имеет прославленная семья Багратионов к гальваническим элементам?

Князь Петр Романович Багратион (1818–1876) – племянник знаменитого полководца – начинал свою службу в инженерных войсках. В 1840 г., будучи в чине лейтенанта и в адъютантской должности, он изобрел гальванический элемент, впоследствии получивший название «цепь князя Багратиона постоянного действия». Этот элемент представлял собой горшок с землей, пропитанной концентрированным раствором хлорида аммония NH₄Cl (нашатыря), в которую на некотором расстоянии втыкали медную (Cu) и цинковую (Zn) пластины. Такой элемент давал ток на протяжении нескольких месяцев. Позднее Багратион сделал несколько крупных изобретений в области металлургии (например, он разработал цианирование – способ извлечения золота из руд, см. 6.3; 10.13).

5.23. ЗАРЯЖЕННЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Можно ли добиться электризации ионных кристаллов солей механическим путей?

Можно. Установлено, что при раскалывании кристаллов фторида лития LiF меньший обломок, как правило, приобретает отрицательный, а больший – положительный заряд.

5.24. НЕРЖАВЕЮЩАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ КОЛОННА

Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна без малейшего пятнышка ржавчины, хотя ее возраст почти 2800 лет.

Это знаменитая Кутубская колонна высотой около семи метров и массой 6,5 т. Надпись на колонне говорит о том, что она была поставлена в IX в. до н.э. Ржавление железа – образование метагидроксида железа FeO(OH) – связано со взаимодействием его с влагой и кислородом воздуха:

4Fe + 2Н₂O + 3O₂ = 4FeO(OH).

Однако эта реакция при отсутствии в железе различных примесей, и прежде всего углерода, кремния и серы, не протекает. Колонна была изготовлена из очень чистого металла: железа в колонне оказалось 99,72%. Этим и объясняется ее долговечность и коррозионная устойчивость.

5.25. СЕРА ВРЕДНАЯ И ПОЛЕЗНАЯ

В сталелитейной промышленности во избежание «красноломкости» (снижения прочности при высоких температурах) допустимое содержание серы S в стали не должно превышать 0,01%. Примесь серы находится там в виде сульфида железа FeS, практически нерастворимого в стали при обычной температуре. Он-то и вызывает растрескивание металла при прокатке и ковке.

Если речь идет о стали, содержащей марганец и бор, которую используют в машиностроении, то примесь серы в количестве около 0,015% приводит к тому, что такую сталь легче обрабатывать, причем режущий инструмент при этой обработке меньше изнашивается. В таких сталях сера содержится в виде сульфида марганца MnS, который играет роль твердой смазки, предотвращающей вырывы металла резцом.

При обкатке двигателей внутреннего сгорания в цилиндры добавляют специальные присадки, содержащие коллоидную серу. Срок технологической операции в этом случае сокращается, так как на поверхности металла цилиндра и поршня тоже образуется сульфид марганца.

5.26. «ЦВЕТАСТАЯ» МЕТАЛЛУРГИЯ

Знаете ли вы, что в английских патентах вплоть до конца XIX в. содержались рекомендации добавлять в закалочную жидкость при обработке железа полевые цветы?

Эту курьезную рекомендацию породило незнание действительных причин закаливания стали (см. 3.45; 530). Кстати, твердость закаленной стали долгое время объясняли превращением содержащегося в ней углерода в алмаз. Более того, в конце XVIII в. французский ученый Гитон де Морво (см. 2.28) получал сталь (наверное, самую дорогую в мире во все времена!) сильным нагреванием чистого железа с алмазами.

5.27. ОРУЖИЕ ИЗ «НЕБЕСНОГО КАМНЯ»

Почему эмиру Бухары не удалось использовать металл «небесного камня» (метеоритное железо) для изготовления оружия?

Согласно легенде, оружейники не смогли отковать из «небесного камня» меч для эмира, и их умертвили. Оружейники не знали, что никелистое метеоритное железо куется только холодным, а при нагревании становится хрупким (см. 155). Однако оружие из уникального «металла с неба» было у индийских властителей в XVII в., у российского царя Александра I и у латиноамериканского героя, легендарного Боливара.

5.28. ЛУННАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

В образцах лунного грунта, доставленных на Землю, обнаружено поразительно большое количество самородного железа.

В первую очередь это остатки метеоритов, которые беспрепятственно достигают поверхности нашего безатмосферного спутника Луны. На их долю приходится 30% лунного железа. А остальные 70% следовало бы назвать «селеническим железом»: хотя на Луне нет залежей каменного угля, необходимых для естественного доменного процесса (см. 6.31), но нет и атмосферы, содержащей кислород. В условиях кислородного голодания на Луне все элементы находятся в низших степенях окисления. Глубокий вакуум (10^-7–10^-9 атм) и высокая температура (несколько тысяч градусов) сами по себе служат восстановителями железа; значит, при извержении расплавленных лунных пород всегда самопроизвольно образуется самородное железо. Не правда ли, «лунометаллургия» эффективнее земной?

5.29. МОЖЕТ ЛИ МЕТАЛЛ ВЗРЫВАТЬСЯ?

В 1855 г. была получена одна из модификаций сурьмы Sb (см. 4.24), названная «взрывчатой». Это стекловидно-аморфное вещество, похожее на графит. Если его потереть каким-либо твердым предметом, то оно распадается на мельчайшие частицы обычной сурьмы с выделением белого дыма и энергии в форме теплоты. Полагают, что неустойчивость аморфной сурьмы связана с наличием в ее структуре примеси хлоридов, содержащих ионы SbCl₂ ⁺ , SbCl^{2 +} и Cl^-.

Получена и «взрывчатая» модификация металла висмута Bi (см. 4.22).

5.30. НЕ ВСЕГДА РЖАВЧИНА ВРЕДНА

Статья, опубликованная в 1834 г. в «Горном журнале», называлась «Улучшение железа и стали посредством ржавления в земле».

Способ превращения железа в сталь через ржавление в земле известен людям с глубокой древности. Например, черкесы на Кавказе закапывали полосовое железо в землю, а откопав его через 10–15 лет, выковывали из него свои сабли, которые могли перерубить даже ружейный ствол, щит, кости врага.

В земле железо Fe, естественно, ржавело, превращаясь в метагидроксид железа:

4Fe + 2H₂O + 3O₂ = 4FeO(OH),

но одновременно насыщалось углеродом и азотом при контакте с различными органическими веществами почвы. Ржавчина [метагидроксид железа FeO(OH)] обладает хорошей сорбционной способностью к различным органическим веществам. После выкапывания ржавое железо вместе с органическими веществами нагревали в горнах, ковали, а затем охлаждали водой – закаливали. Углерод и азот появлялись в поверхностном слое откованного металла, упрочняя его и сообщая ему особую твердость. В слое при термической обработке образуется очень твердое соединение: карбид железа Fe₃C – цементит (см. 3.45):

3Fe + C = Fe₃C.

Впоследствии для получения твердой стали вместо длительного пребывания железа в земле перешли к плавке железа под слоем древесного угля.

5.31. МНОГОЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Считается, что металлический цвет – это серебристо-белый или серый. Все ли металлы такого цвета?

Широко известно, что медь Cu имеет ярко выраженный розово-красный цвет. Очень чистое золото Au – желто-зеленого цвета. Щелочной металл цезий Cs – светложелтый, а тяжелый металл из семейства платины осмий Os – светло-голубого цвета. Искусственно полученный металл технеций Tc имеет серебристый цвет с коричневым оттенком.

5.32. ЗОЛОТИСТАЯ СТАЛЬ

Обычная сталь – серого цвета, есть даже выражение «стальной цвет». Но можно изменить цвет этого материала на золотистый путем нанесения на сталь покрытия из нитрида титана TiN_x. В вакуумной камере в среде азота плазменная дуга испаряет титан Ti, а его пары, прореагировав с азотом, превращаются в нестехиометрические нитриды титана, которые, оседая на поверхности быстрорежущей стали, образуют прочное износостойкое покрытие золотистого цвета. Инструменты из такой стали почти не имеют конкуренции – разве только с алмазсодержащими хромированными изделиями.