Текст книги "Книга по химии для домашнего чтения"
Автор книги: Борис Степин
Соавторы: Людмила Аликберова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 27 страниц)
1.6. КАКАЯ ИЗ АКАДЕМИЙ СТАРЕЙШАЯ?
Слово «академия» происходит от имени мифического героя Академа – гражданина Афин в Греции. В саду Академа греческий философ и математик Платон (427–347 гг. до н.э.) создал свою знаменитую школу, которая и стала называться Академией.
В 330 г. до н.э. фараон Египта Птоломей-Сотэр (367–283 гг. до н.э.), один из полководцев Александра Македонского, основал Александрийскую академию, в которой стали обучаться наукам и искусствам молодые люди из разных стран.
В 1603 г. в Риме возникла Академия зорких, членом которой был Галилео Галилей (1564–1642), астроном, физик и математик.
В 1652 г. в Германии по инициативе врача Иоганна-Лоренца Бауша появилась Академия естествоиспытателей с девизом: «Никогда не будь праздным». Эта академия существует до сих пор в г. Галле под названием Германская академия естествоиспытателей – Леопольдина.
В 1657 г. во Флоренции (Италия) возникла Академия опыта.
В 1662 г. основано Лондонское королевское общество (по существу это Академия наук Великобритании), создателем которого по праву считают Бойля (см. 2.4). Девиз этого общества: «Я не буду следовать рабски словам учителя».
В 1666 г. была учреждена Парижская академия наук, в числе основателей и первым членом которой был Эдмон Мариотт (1620–1684) – французский физик.
Затем появились: в 1711 г. – Прусская (Берлин), в 1713 г. – Мадридская, в 1724 г. – Петербургская, в 1741 г. – Стокгольмская академии наук.
1.7. НА РУССКУЮ СЛУЖБУ В АКАДЕМИЮ
В Указе Петра I от января 1724 г. о создании Петербургской академии наук говорилось: «Академия есть собрание ученых и искусных людей, которые не токмо сии науки в том градусе, в котором оные обретаются, знают, но и чрез новые инвенты оные совершить и умножить тщатся».
В 1724 г. от имени Петра I были посланы приглашения ученым европейских стран поступать на русскую службу в Академию наук. В 1725 г., уже при Екатерине I, в Петербург стали съезжаться иностранные ученые. Первым по классу химии приехал Михаил Бюргер – магистр и доктор медицины из Курляндии (Германия). В «росписи» он назван академическим членом, «первым в Академию призванным». Еще до приезда в Петербург Бюргер писал в Академию: «…вследствие слабого телосложения я не в состоянии заведовать химической лабораторией…». Бюргер прибыл в Петербург в марте 1726 г., а в июле того же года в результате падения из коляски он умер. После него с 1731 г. химия была поручена Иоганну-Георгу Гмелину (1709–1755). Он приехал в Россию из Германии в 1727 г. «для произведения своей науки» и был назначен академиком по классу химии. Химией он не занимался, а больше путешествовал по России. В 1745 г. Гмелин подал в отставку и уехал за границу.
Первым русским академиком стал Михаил Ломоносов (см. 2.1)[4]. Он занял с 1745 г. место Гмелина уже по санкции конференции Академии. После смерти Ломоносова в 1765 г. его место в Академии перешло к Иоганну-Готлибу Леману (1719–1767), известному минералогу и химику. Интенсивная научная деятельность Лемана прервалась из-за его смерти: он отравился мышьяком во время одной из работ. Лишь через три года место Лемана занял финн Эрик Густавович Лаксман (1737–1796), который по специальности был профессором экономики, а по духовному званию – пастором. Лаксман приехал из Финляндии в Петербург в 1762 г. Многие годы жизни он провел в Сибири, изучая и организуя производство различных солей (см. 1.19)[5].
1.8. ПЕРВЫЕ КРАСКИ
При раскопках в 1954 г. одного из древнейших памятников, так называемой «стоянки Маркина гора» (около с. Костенки в Воронежской области) на глубине 4,5 м было обнаружено захоронение человека давностью 20–40 тыс. лет до н.э. Дно могилы было засыпано красной охрой, такой же охрой были сверху присыпаны и кости скелета.
Охра (или «вохра») – природный пигмент, обычно содержащий метагидроксид железа FeO(OH) с примесью алюмосиликатов – сложных природных соединений алюминия и кремния. По цвету охры делят на светло-желтые (12–25% Fe2O3) и золотисто-желтые (40–75% Fe2O3). Красную охру (Fe, Fe2)O4[6] называли еще «мумия», или «железный сурик». Мумия содержит 35–70% Fe2O3 и получается при обжиге железосодержащих руд. Кроме Fe2O3 мумия включает еще глинистые вещества и диоксид кремния SiO2.
В красках, которые использовал монах-живописец Дионисий в 1492 г. для росписи знаменитых фресок Ферапонтова монастыря, также содержалась охра.
1.9. РОЖДЕНИЕ ГОНЧАРНОГО РЕМЕСЛА
Люди каменного века, жившие в пещерах, обогревали себя непрерывно горящим костром. Прошли сотни лет, пока они догадались обкладывать костер валунами, чтобы раскаленные угли не раскатывались из костра по полу пещеры. Но угли стали выкатываться из отверстий между валунами. Прошла еще не одна сотня лет, пока человек научился заделывать щели глиной и обнаружил, что огонь, месяцами пылавший внутри каменного кольца, превращал глину в прочный, похожий на камень материал. Этот материал уже не размягчался в воде. Наконец люди каменного века догадались, что из глины можно делать различные сосуды. Они стали сушить изделия из глины на солнце, а затем обжигать их в пламени костра. Так родилось гончарное ремесло, производство первых керамических изделий. Слово «керамик» греческое, означающее квартал гончаров на окраине Афин. Здесь находился некрополь, где государство хоронило павших на войне афинских граждан.
Основным минералом глин является каолин, в который входят оксид алюминия Al2O3, диоксид кремния SiO2 и вода H2O: Al2O3∙2SiO2∙2Н2O. Кроме этих оксидов глина содержит в виде механических примесей песок (диоксид кремния), карбонаты кальция CaCO3 и магния MgCO3, триоксид дижелеза Fe2O3, придающий глинам бурый цвет.
При прокаливании глины происходит удаление воды, разложение карбонатов и образование легкоплавких силикатов, скрепляющих изделие:
CaCO3 = CaO +CO2↑; MgCO3 = MgO+ CO2↑;
CaO + SiO2 = CaSiO3; 2Fe2O3 + 3SiO2 = Fe4(SiO4)3.
В 2000 г. до н.э. при раскопках дворца в Кносе на острове Крит нашли керамические сосуды высотой около двух метров, в которых хранили зерно и масло. Как гончары формовали такие большие и тяжелые изделия, как сушили и обжигали, остается тайной.
1.10. ЧЕРВЛЕНЫЕ ЩИТЫ РУСИЧЕЙ
В «Слове о полку Игореве» читаем: «Лисицы брешут на червленые щиты… Русичи великие поля червлеными щитами перегородили…».
Червленым щитом называли щит, окрашенный красной краской «червлень», или «черлень». Эта краска была у русских воинов символом храбрости, мужества и неустрашимости. Красная краска «червлень» была смесью сурика (Pb2Pb)O4 и киновари (см. 1.13).
1.11. СУРИК
В Указе «Како сурик делать» (рукопись конца XVI в.) сказано: «…возми белил и положи в череп железный сосуд и постави на жар, и как загорят белила, станут красны, то и сурик».
Свинцовые белила – белая краска, основный карбонат свинца состава Pb3(OH)2(CO3)2 или Pb(OH)2∙2PbСO3 (см. 5.54). Черепом называли керамический (глиняный) горшок. При нагревании происходило разложение основного карбоната свинца с частичным его окислением:
2Pb3(OH)2(CO3)2 + O2 = 2(Pb2Pb)O4 + 2H2O↑ + 4CO2↑.
Остаток от прокаливания – красного цвета – и был суриком (Pb2Pb)O4. Этот метод получения сурика сохранился в общих чертах и до наших дней. Правда, сейчас предпочитают нагревать в токе воздуха оксид свинца:
6PbО + O2 = 2(Pb2Pb)O4.
Сурик использовали не только для покраски щитов. Его с давних времен применяли в иконописи. В расходной книге Кирилло-Белозерского монастыря, основанного в 1397 г. и сохранившегося до наших дней, нашли запись, датированную 1606 г.: «…купил сурику 4 гривенки[7], дано 28 алтын…».
Сурик был известен уже 3000 лет тому назад. Метод его приготовления был найден случайно (см. 9.29).
1.12. «ПРАЗЕЛЕНЬ»
Самой древней зеленой краской на Руси была «празелень». Применялись и другие зеленые краски.
«Празелень» – самая дешевая и популярная краска XVII в. Ее получали истиранием темно-зеленого, иногда ярко-зеленого минерала глауконита («зеленой земли»), имеющего сложный состав. Глауконит включает диоксид кремния SiO2, оксид железа(III) Fe2O3, оксид алюминия Al2O3, оксиды калия, натрия, кальция, магния и воду. Добывали глауконит до 1612 г. в Копорье (Ленинградская область). Празелень применял Дионисий (см. 1.8) для росписи фресок Ферапонтова монастыря в 1492 г., ее использовали в «стенном письме» Грановитой палаты Московского Кремля в 1668 г.
Помимо празелени в России производили и применяли другие зеленые краски: ярь-медянку (см. 1.53), хромовую зелень, малахитовую зелень, швейнфуртскую зелень. Часто зеленые краски получали смешиванием синей и желтой красок. Как говорили древние живописцы: «Синило да желть, то станет празелень» (конец XVII в.).
Хромовую зелень (гюинетова зелень, изумрудная зелень) осаждали из раствора сульфата хрома Cr2(SO4)3 гидроксидом натрия NaOH:
Cr2(SO4)3 + 6NaOH = 2CrO(OH)↓ + 3Na2SO4 + 2Н2O.
Зеленый осадок метагидроксида хрома CrO(OH) и представлял собой хромовую зелень. Вместо сульфата хрома применяли и другие соли хрома.
Малахитовая зелень (бегрин, горная зелень, медная зелень) состояла из основного карбоната меди (CuOH)2CO3 (см. 6.37). Ее производство заключалось либо в измельчении природного минерала малахита (см. 10.25), либо по старому рецепту, обнаруженному в Новгородской рукописи: «Взяти гороху, да мочити 15 дни и больши, да истолчи, да по тому же составити с медью».
1.13. КИНОВАPb
В XV в. в одной из рукописей Троице-Сергиевой лавры был записан «Указ како творится киноварь»: «…возми ртоутя литру едину, сунпор [8] , ослиный кал и жарие на огни, видиши исходят, дым и тогда творится киноварь».
Киноварь (киноверь, кеноварь, киноварец) как хорошая краска красного цвета была известна в России давно. О ней еще в начале XII в. писали: «Свет же святый несть яко огнь земной… яко киноварь». Киноварь – сульфид ртути HgS, кристаллы красного цвета, практически нерастворимые в воде. Она встречается в природе и получается искусственно добавлением ртути в расплавленную серу:
Hg + S(ж.) = HgS(к.)
На воздухе и под воздействием солнечного освещения красный сульфид ртути постепенно превращается в черный из-за выделения мельчайших капелек ртути. Поэтому киноварь применяли для стенной росписи только внутри зданий: «… а киноварем извне не писать, потому что почернеет» (XVII в.).
1.14. «КАКО БЕЛИЛА ДЕЛАТЬ?»
В церковном письме епископа Нектария (1599 г.) указано, «како белила делать»: «Бити свинец тонко на камени или на наковальне молотом и резати полосы широтою по три перста и верти свинец в трубки, чтоб ся вместе не смыкалось и влити в кадь дрожжей и свинец ставити в дрожжах на решетку стоймя и покрыть гораздо и удушити чтоб духу не выпускать ни мало».
В этом рецепте приведена очень старая русская технология производства основного карбоната свинца Pb(OH)2∙2PbСO3, который называли свинцовыми белилами, или просто белилами, или «бели» (см. 1.11).
При брожении дрожжей (пивных дрожжей, ржаного солода) образуется уксусная кислота CH3COOH и выделяется «дух», иначе диоксид углерода CO2. Реакция образования основного карбоната свинца включала следующие стадии:
2Pb + O2 = 2PbO, PbO + CH3COOH = Pb(OH)(CH3COO),
3Pb(ОН)(СН3СОО) + 2СO2 + H2O = Pb(OH)2∙2PbСO3↓ + 3СН3СООН.
В первой стадии свинец окисляется до монооксида PbO, во второй монооксид свинца, взаимодействуя с уксусной кислотой, превращается в основный ацетат свинца, который затем под воздействием диоксида углерода переходит в основный карбонат свинца.
Готовые свинцовые белила – это по существу основный карбонат свинца, растертый с растительным маслом; они были известны на Руси давно. О них сообщалось еще в Остромировом евангелии в 1056–1057 гг. Метод их производства, похожий на описанный выше, упоминается в книге римского историка Кая Плиния Старшего (23–79 гг. н.э.) «Естественная история». К концу 1750 г. производство свинцовых белил в России приведенным выше способом достигло 82 т.
Современный метод получения основного карбоната свинца заключается в электрохимическом взаимодействии свинцового анода с разбавленным водным раствором карбоната натрия Na2CO3при непрерывном пропускании через электролит диоксида углерода CO2. В процессе электролиза под анодом образуется белый осадок Pb(OH)2∙2PbСO3.
1.15. СИНЬКАЛЬ, ИЛИ СИНИЛЬНО-КИСЛЫЙ ПОТАШ
Правительственный Сенат в 1749 г. постановил отпускать московским купцам П. Сухареву и И. Беляеву бычью кровь «с боен безденежно… ибо оная стекает на землю и пропадает туне, от которой в летнее время бывает… пребезмерная духота и вонь смрадная». В одном из законов Российского государства, изданном в 1830 г., было сказано, что покупка синькали, или синильно-кислого поташа, разрешается только по свидетельству земской полиции.
«Синильно-кислый поташ», «синькаль», «желтая кровяная соль» – вещество состава K4[Fe(CN)6], называемое в наше время гексациано– ферратом(II) калия, вещество достаточно ядовитое. Это соединение получали из животных отбросов (кровь, копыта, шкуры, сухая рыба, кожа, мясо, щетина, шерсть и др.), которые нагревали вместе с карбонатом калия K2CO3 и железными опилками. Спек разбивали на куски и обрабатывали горячей водой. Раствор упаривали до начала кристаллизации K4[Fe(CN)6]∙3Н2O.
Животные отбросы содержат серу и азот. При их прокаливании с карбонатом калия и железом образуются цианид калия KCN и сульфид железа FeS. При обработке спека горячей водой протекает реакция
6KCN + FeS = K4[Fe(CN)6] + K2S.
Гексацианоферрат(II) калия употребляли в больших количествах для окраски хлопчатобумажных тканей и шелка в синий цвет, для производства синей краски – берлинской лазури (см. 1.16; 3.37).
1.16. БЕРЛИНСКАЯ ЛАЗУРЬ
М. Ломоносов в своем рапорте президенту Академии наук К. Разумовскому писал в январе 1750 г.: «В конце прошлого лета и по осени искал я способов как делать лазурь берлинскую, которой два сорта при сем прилагаю».
Берлинская лазурь – это синее вещество составов Fe4(Fe(CN)6)3 и KFe(Fe(CN)6). Второе из этих веществ сейчас называют гексациано– ферратом(II) железа(III)-калия. Какие только имена не имела берлинская лазурь: лазорь, берлинская синь, берлинский голубец, английская лазурь, парижская лазурь!.. Ее с давних пор применяли в России для окраски тканей, бумаги, в иконописи и росписи фресок. Впервые берлинскую лазурь получил в 1704 г. немецкий мастер Дисбах, готовивший краски для художников.
М. Ломоносов синтезировал берлинскую лазурь, смешивая водные растворы желтой кровяной соли (см. 1.15) и сульфата железами) Fe2(SO4)3:
SK4(Fe(CN)6) + 2Fe2(SO4)3 = Fe4(Fe(CN)6)3↓ + 6K2SO4.
Эту реакцию применяют до сих пор в промышленном и лабораторном масштабе (см. 3.37).
1.17. КРАСКА «БАКАН»
Петр I предписал Павлу Васильеву, владельцу химического завода, изготовлять в год 20 пудов (около 380 кг) краски «бакан», оказавшейся по качеству лучше «венецийского бакана» (из Италии), и «окромя его, Васильева, того «бакану» никому не делать… из-за моря не ввозить…» Излишки краски сверх 20 пудов разрешалось Васильеву продавать «повольно», и производство ее увеличить, а налогом не облагать.
Дорогая краска «бакан» – лаковая краска, искусственно получаемая смесь красящих органических веществ с минеральными бесцветными (гипс, мел) или окрашенными (оксиды железа) веществами. Органические красящие вещества производили либо из растительных пигментов (сока сандалового дерева, барбариса, корней растений, называемых крапом или мареной, и др.), либо из яиц насекомых вида кошениль (русское название «червец», а украинское – «канцелярское семя»). Цвет краски «бакан» был различным, но чаще красным разных оттенков.
1.18. ПОТАШ БОЯРИНА МОРОЗОВА
В старых книгах вы могли прочесть, что на поташных промыслах боярина Морозова в 1672 г. было выработано 770 т поташа.
Поташ – очень старое название карбоната калия K2CO3. Слово «поташ», видимо, произошло от немецких слов Pott – горшок и Asch – зола. Раствор, полученный после обработки древесной золы горячей водой, выпаривали досуха и прокаливали в горшках (см. 1.21). Для производства поташа сжигали древесину только определенных пород – сосну, клен, березу, в которых содержание K2CO3 наибольшее. Из одного кубометра такой древесины получалось около 0,5 кг карбоната калия. Наиболее богата карбонатом калия зола подсолнечника. Главнейшими потребителями поташа были мыловарение и стекольное производство. Поташ считался ценным товаром. Когда появилась угроза вторжения татар, Морозов писал в свои вотчины, чтобы поташ закапывали в ямы, «где б вода не была, на высоких местах» (1660 г.).
В наше время карбонат калия получают либо при взаимодействии растворов гидроксида калия KOH с диоксидом углерода CO2:
2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O,
либо выделяют из продуктов переработки минерала нефелина KAlSiO4.
1.19. СОДА: ПЕРВЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ
Русский академик Лаксман (см. 1.7) уже в 1764 г. сообщал, что соду (карбонат натрия Na2CO3) можно получать спеканием природного сульфата натрия Na2SO4 с древесным углем:
2Na2SO4 + 4С + 3O2 = 2Na2CO3 + 2SO2↑ + 2СO2↑.
Так как природный сульфат натрия может содержать примесь известняка CaCO3, то этой реакции может сопутствовать другая:
Na2SO4 + CaCO3 + 2С = Na2CO3 + CaS + 2СО2↑.
Свой способ Лаксман проверил на стекловаренном заводе в г. Тальцинске (недалеко от Иркутска) в 1784 г. К сожалению, дальнейшего развития этот способ не получил и вскоре был забыт.
В 1791 г. французский химик-технолог Леблан (см. 2.22), ничего не зная о способе Лаксмана, получил патент на «Способ превращения глауберовой соли в соду», глауберова соль – декагидрат сульфата натрия Na2SO4∙10H2O (см. 3.35; 10.44). Леблан предложил для получения соды сплавлять смесь сульфата натрия, мела и древесного угля. В своем патенте он указывал: «Над поверхностью плавящейся массы вспыхивает множество огоньков, похожих на огни свечей. Получение соды завершается, когда эти огоньки исчезают». При сплавлении протекали реакции
Na2SO4 + 4С = Na2S + 4СО↑, Na2S + CaCO3 = Na2CO3 + CaS.
Образовавшийся по первой реакции сульфид натрия Na2S вступал затем во взаимодействие с карбонатом кальция CaCO3 (известняк или мел). После полного выгорания угля и монооксида углерода СО («огоньки исчезают») плав охлаждали и обрабатывали водой. В раствор переходил преимущественно Na2CO3. Свой способ Леблан реализовал на созданном им заводе «Сода Леблана». К 1810 г. французские содовые фабрики, использовавшие способ Леблана, полностью удовлетворяли все запросы потребителей соды.
Петр 1 сообщал князю Д. Голицыну, отвечая на его вопрос, зачем нужна нам «зода»: «…зодою умягчают шерсть». В 1780 г. академик Гильденштедт писал: «…суду можно почесть важным товаром в российской торговле. Стекольщики наши и красильщики много ее издерживают, а впредь еще и больше оной расходиться будет, когда больше станут у нас делать белых стекол».
Зодой, судой, углеродно-кислым поташем, минеральной щелочной солью называли в XVIII-XIX вв. карбонат натрия Na2CO3, бытовое название которого – сода. До 1860 г. соду ввозили в Россию, несмотря на обилие собственного сырья для ее производства. Первый содовый завод в России, работавший по технологии Леблана, был основан М. Б. Прангом (1830–1890) в 1864 г. в Барнауле. В 1880 г. в районе теперешнего г. Березники был построен крупный содовый завод фирмы «Любимов, Сольве и Кº», выпускавший с 1890 г. свыше 20 тыс. тонн соды в год. C этого момента заводы, использовавшие технологию Леблана, стали постепенно закрываться.
1.20. ПРОИЗВОДСТВО СОДЫ ПО СОЛЬВЕ
Аммиачный метод производства соды – карбоната натрия Na2CO3 – был разработан в 1838–1840 гг. английскими инженерами Г. Грей-Дьюаром и Д. Хеммингом. Они предложили получать соду, применяя следующие реакции:
NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO3,
NaCHNH4HCO3 = NaHCO3↓ +NH4Cl,
2NaHCO3 = Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑.
В первой реакции образовывался гидрокарбонат аммония NH4HCO3 из аммиака NH3, диоксида углерода CO2 и воды H2O. Во второй реакции получали гидрокарбонат натрия NaHCO3, малорастворимый в воде на холоду, который отфильтровывали и нагревали в соответствии с третьей реакцией. Диоксид углерода CO2, необходимый для первой реакции, выделяли из известняка (карбоната кальция CaCO3) путем его прокаливания:
CaCO3 = CaO +CO2↑.
Оставшийся оксид кальция CaO обрабатывали водой, превращая в гидроксид кальция, нужный для регенерации аммиака и возвращения его в начало технологического процесса:
CaO + H2O = Ca(OH)2,
2NH4Cl + Ca(OH)2 = 2NH3↑ + CaCl2 + 2Н2O.
Бельгийский инженер-химик, член Парижской академии наук Эрнст-Гастон Сольве (1838–1922) только технологически оформил производство соды по аммиачному методу. Он применил аппараты колонного типа, обеспечивающие непрерывность всего процесса и высокий выход продукта. Поэтому Сольве и считают основателем промышленного метода получения соды. Вскоре почти во всех странах (см. 1.22) появились заводы по производству соды аммиачным методом, принадлежащие первому в мире химическому концерну Сольве, и в 1916 г., несмотря на войну, под контролем Сольве находилось практически все мировое производство соды.
Миллионер Сольве имел 38 замков с поместьями и два крупнейших банка. В 1894 г. Сольве создал в Брюсселе первый в мире Институт социологии.
Преимущества аммиачного метода (экономия угля из-за более низкой температуры процесса по сравнению со способом Леблана, меньшее загрязнение окружающей среды, более высокое качество продукта) привели к тому, что в 1916–1920 гг. закрылись последние заводы, использующие метод Леблана (см. 1.19).
1.21. «ПОЛИВАЧИ» – МАСТЕРА ПОТАШНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В XVII в. в России поташ (см. 1.18) изготавливали следующим методом. В деревянных корытах выщелачивали древесную золу и полученным щелоком поливали горящие в кирпичном очаге дрова так, чтобы не потушить костра. При этом щелок упаривался и на дне очага («гарта») плотным слоем кристаллизовался поташ. Его затем выламывали ломами и укупоривали в бочки. «Поливачи» и поливали щелоком горящие на гарте костры. Процесс сжигания дров и их полива требовал особых приемов. От умения поливачей зависели выход поташа и его качество. Поэтому в длительное обучение к поливачам отдавались еще подростки – дети крестьян.
1.22. ПЕРВЫЕ СОДОВЫЕ ЗАВОДЫ
Первыми в мире заводами по производству соды – карбоната натрия Na2CO3 – c применением аммиака были бельгийский завод в Куйе, построенный инженером Сольве (см. 1.20) в 1865 г., и Камско-содовый завод Лихачева в России, начавший выпуск соды в 1868 г. Российский завод был создан полковником Иваном Васильевичем Лихачевым в его имении в Казанской губернии на берегу реки Камы. Технология производства соды на заводе Лихачева состояла из ряда операций, характерных для аммиачного метода.
Лихачев добывал аммиак путем сухой перегонки кожевенных отходов (см. 1.44), поставляемых ему с почти 200 кожевенных заводов ближайших губерний. Диоксид углерода он получал прокаливанием известняка, найденного в окрестностях завода:
CaCO3 = CaO + CO2↑.
Завод просуществовал недолго, уже через четыре года он был закрыт из-за нерентабельности, так как сильно подорожали кожевенные отходы и поваренная соль (хлорид натрия NaCl).
1.23. ФИНИКИЙЦЫ И СТЕКЛО
У римского историка Кая Плиния Старшего (см. 1.14) есть рассказ о том, как древние мореплаватели – финикийцы – получили первое стекло.
Финикийцы везли на своем корабле куски природной соды, гидратов карбоната натрия Na2CO3∙H2O или Na2CO3∙10H2O (см. 1.19, 1.20). Они высадились на берегу одной реки в Палестине для отдыха и приготовления пищи. Кругом был один речной песок и никаких камней для постройки очага. Тогда моряки сложили небольшую печь из кусков соды. Когда костер разгорелся, они увидели, что расплавившаяся сода образовала с песком (диоксидом кремния SiO2) прозрачную тягучую массу, застывшую в твердые прозрачные глыбы. В очаге, по-видимому, протекала реакция образования метасиликата натрия Na2SiO3:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2↑.
Рассказ вряд ли правдоподобен: для получения стекла нужна очень высокая температура, которую обычный костер дать не может.
1.24. СТЕКЛО НА РУСИ
В 1951 г. украинские археологи обнаружили в Митрополичьем саду Киево-Печерского заповедника мастерскую по производству изделий из стекла, относящуюся к XI в.
Полагают, что на Русь стеклоделие пришло из Византии. В мелких мастерских для варки стекла вначале использовали смесь поташа (карбоната калия K2CO3, см. 1.18) и белого речного или морского песка (диоксида кремния SiO2). Поташ стоил дорого, и примерно с 1764 г. его стали заменять сульфатом натрия Na2SO4∙10H2O (минерал мирабилит; см. 10.44), который добывали из некоторых соляных озер. Первый стекольный завод в России был построен в 1784 г. недалеко от Иркутска (см. 1.19). Стекло, полученное сплавлением сульфата натрия и песка, со временем самопроизвольно растрескивалось из-за кристаллизации. Для сохранения аморфного состояния стекла и повышения его прочности позднее стали добавлять в смесь известняк или мел (карбонат кальция CaCO3). Важнейшими химическими реакциями при стекловарении являются реакции образования силикатов натрия и кальция:
Na2SO4 + SiO2 = Na2SiO3 + SO3↑,
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2↑.
При медленном охлаждении расплава кристаллы силикатов и диоксида кремния не образовывались, и расплав превращался в твердое прозрачное аморфное вещество – стекло состава Na2SiO3∙CaSiO3∙4SiO2 или Na2O∙CaO∙6SiO2.
1.25. МОЖНО ЛИ АЛМАЗ СПУТАТЬ СО СТЕКЛОМ?
Однажды в 1820 г. в Лондоне разразился скандал. На одном из аристократических приемов известный ювелир сказал графине – хозяйке дома: «У Вас, миледи, в перстне не алмаз, а подделка».
В 1790 г. венский ювелир Штрассер впервые получил свинцовое стекло, названное хрусталем, с высоким содержанием оксида свинца PbO (до 50%). Оптические свойства такого стекла и алмаза близки: есть «игра цветов» и «алмазный блеск». После огранки куски хрусталя стали напоминать бриллианты еще больше. Ограненные хрусталики назвали «стразами» по имени Штрассера. По внешнему виду страз отличить от алмаза трудно, но его происхождение выдает недостаточная твердость: он не царапает стекло. Видимо, такой страз вместо бриллианта и был продан графине, и в ее кругу считалось, что она владеет самым крупным бриллиантом.
При подкраске страза добавлением в расплав небольшого (всего 0,0001%) количества золота (Au) в виде любого его соединения получали поддельные ярко-алые рубины. Введение оксида кобальта CoO превращало стразы в красивое синее стекло, похожее на сапфир (см. 10.42), а добавление в расплав при варке хрусталя оксида хрома Cr2O3 делало страз похожим на изумруд (см. 10.22).
1.26. УКРАДЕННЫЙ СЕКРЕТ МЕЙСЕНСКОГО ФАРФОРА
Первые фарфоровые изделия появились в Китае в эпоху Хань (206 г. до н.э.). В конце XIII в. путешественник Марко Поло привез из Китая в Европу первые образцы фарфоровой посуды.
Однако секрет производства фарфора оставался неизвестным в Европе вплоть до начала XVIII в. Многолетние исследования немецкого математика, физика и минералога Вальтера-Эренфрида фон Чирнгауза (1651–1708) наконец увенчались успехом: ему удалось получить фарфор. В 1703 г. Чирнгауз спроектировал фабрику для производства фарфора, а через четыре года он привлек к работе немецкого алхимика Иоганна-Фридриха Бёттгера (1682–1719), славившегося большими познаниями в химии. Нуждаясь в верном помощнике для окончательной отработки технологии производства фарфора, Чирнгауз, естественно, открыл ему секреты этой технологии. В 1708 г. Чирнгауз внезапно умирает, а Бёттгер выдает себя за изобретателя состава фарфора и становится в 1715 г. основателем знаменитой Мейсенской фарфоровой фабрики недалеко от Дрездена.
Фарфор получали при сильном прокаливании пластической массы, образующейся при смешивании белого каолина Al4(OH)8(Si4O10) («фарфоровой земли») с порошкообразным полевым шпатом NaAl(Si3O8) и кварцевым песком (SiO2) с небольшим добавлением воды. При обжиге каолин выделяет воду и разлагается на оксиды алюминия и кремния Al2O3 и SiO2, которые связываются полевым шпатом. Поэтому объем изделия уменьшается, масса становится плотной и звонкой. Фарфор тверже стекла и лучше его сопротивляется изменению температуры и воздействию химических веществ. Метод Чирнгауза сохранил свое значение и в наше время.
1.27. О ЗЕРКАЛАХ
В 1858 г. немецкий химик Либих (см. 2.17) писал одному из своих друзей, Клемму: «Я опять занимаюсь фабрикацией зеркал, благодаря некоторым улучшениям думаю, что можно приготовить правильные зеркала любых размеров».
Зеркала появились задолго до новой эры. Ими служили отполированные до блеска металлические пластинки из золота, серебра и бронзы (сплава меди и олова). Серебряные зеркала были наилучшими по качеству отражения. В I в. н.э. начали изготавливать стеклянные зеркала – стеклянные пластинки, соединенные со свинцовой или оловянной. Затем ремесленные мастерские перешли на выпуск стеклянных зеркал, отражающая поверхность которых была сделана из амальгамы олова (раствор олова Sn в ртути Hg, см. 5.44). Либих предложил изготавливать стеклянные зеркала с серебряным покрытием. Разработанный им метод состоял из следующих операций. Сначала к водному раствору нитрата серебра AgNO3 добавляли водный раствор гидроксида калия КОН, что приводило к осаждению черно-коричневого осадка оксида дисеребра Ag2O:
2AgNO3 + 2KOH =Ag2O↓ + 2KNO3 + H2O.
Осадок отфильтровывали и перемешивали с водным раствором аммиака NH3:
Ag2O + 4NH3 + H2O = 2[Ag(NH3)2](OH).
В этой реакции оксид дисеребра переходил в раствор в виде гидроксида диамминсеребра(I). Затем в полученный прозрачный раствор погружали лист стекла, одна из поверхностей которого была тщательно обезжирена, и добавляли формальдегид НСНО. Формальдегид восстанавливал серебро, которое осаждалось на очищенной поверхности стекла с образованием зеркала:
2[Ag(NH3)2](OH) + HCHO = 2Ag↓ + HCOONH4 + 3NH3 + H2O.
Самыми высококачественными оказались зеркала из индия In. В отличие от серебра индий не тускнеет на воздухе, долго сохраняет высокий коэффициент отражения. Индиевые зеркала, установленные в прожекторах, позволяли легко находить фашистские самолеты, сбрасывавшие бомбы на Лондон. Лучи индиевых зеркал пробивали плотный туман, часто висящий над столицей Великобритании.
1.28. СПИЧКИ «МАКАЛЬНЫЕ» – ОГОНЬ ИЗ ЖИДКОСТИ
В 1919 г. в Петрограде, когда спичечные фабрики прекратили работу из-за отсутствия фосфора, появились «макальные» спички, или «хозяйственные запалы».
«Макальные» спички изобрел французский химик-аналитик и органик Гюстав Шансель (1822–1890). Он предложил на конец лучинок наносить смесь бертолетовой соли KClO3[9] (см. 3.24), серы S, горючих веществ (угля, крахмала, сахара) и клея. После высушивания такая спичка загоралась, если ее обмакнуть в концентрировавшую серную кислоту H2SO4 (см. 1.49) и тотчас вынуть. Сначала обмазка лучинки начинала трещать и затем вспыхивала. Загорание «макальных» спичек вызывали реакции
