Текст книги "Книга по химии для домашнего чтения"

Автор книги: Борис Степин

Соавторы: Людмила Аликберова
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 27 страниц)

4КСlO₃ + 2H₂SO₄ = 4СlO₂↑ + O₂↑ + 2K₂SO₄ + 2Н₂O,

S + 2ClO₂ = SO₂↑ +Cl₂↑ +O₂↑,

S + O₂ = SO₂↑, C + O₂ = CO₂↑.

Выделяющийся сильный окислитель диоксид хлора ClO₂ воспламенял серу, а вслед за ней и горючие вещества. Горению способствовало выделение кислорода. «Макальные» спички были очень неудобны: надо было всегда иметь под рукой склянку с серной кислотой.

Спички Шанселя усовершенствовал английский химик Джонс. Его спички, получившие название «дьявольских», состояли из полоски картона, к концу которой был прикреплен крохотный стеклянный пузырек с каплей H₂SO₄. Пузырек был обмазан смесью KClO₃, сахара и клея. К спичкам прилагался пинцет, с помощью которого раздавливался пузырек-головка. Спички Джонса были в свое время предметом роскоши у лондонских аристократов.

В Петрограде в период разрухи склянку с кислотой заменили стеклянной пробиркой, закрытой корковой пробкой, внутри пробирки находился кусочек асбестовой ваты, пропитанной концентрированной серной кислотой. Из такого сосуда кислота не выливалась. Коробку с «макальными» спичками и пробиркой стали называть «хозяйственным запалом».

1.29. «ПИРОФОР»

Лаборант, приводя в порядок шкаф с реактивами, нашел в углу старую банку с запарафинированной пробкой и полустершейся этикеткой, на которой он смог прочесть только одно слово «Пирофор». Недолго думая, лаборант выбросил банку в корзину с мусором. На другой день, придя на работу, он узнал, что его комната вся выгорела, и пожарные с трудом погасили огонь.

Причина пожара – в безответственном отношении к химическому веществу неизвестного состава. «Пирофор» – смесь, самовоспламеняющаяся на воздухе, первые «химические спички», изобретенные немецким химиком Дёберейнером в начале прошлого столетия (см. 4.9; 9.30). Если смесь карбоната калия K₂CO₃, безводного сульфата алюминия-калия KAl(SO₄)₂ и угля C прокалить без доступа воздуха, то в результате реакций

2К₂СO₃ + C = 4К + 3CO₂↑,

2KAl(SO₄)₂ + C = 2K + SO₂↑ +3SO₃↑ + CO₂↑ + Al₂O₃

образуется серо-черная масса, содержащая мелкие частицы калия К, оксида алюминия Al₂O₃ и остатки угля. На воздухе под воздействием кислорода и влаги калий воспламеняется и может зажечь бумагу, вату и другой горючий материал. У банки, брошенной в корзину с мусором, видимо, открылась пробка, и «пирофор», придя в контакт с воздухом, воспламенился.

1.30. НЕОБЖИГАЮЩЕЕ ГОЛУБОВАТОЕ ПЛАМЯ

В 1796 г. Вильгельм Лампадиус (1772–1842), профессор химии и металлургии в Горной академии во Фрейбурге (Саксония), впервые получил сероуглерод, пропуская пары серы S через раскаленный древесный уголь. Химическое название CS₂ – дисульфид углерода:

C + 2S = CS₂.

Полученная им жидкость сразу повела себя необычно. Когда Лампадиус погрузил в нее нагретую стеклянную палочку, то увидел появление голубоватого холодного пламени, не обжигающего пальцы. Сотрудник Лампадиуса, нанюхавшись CS₂, потерял сознание. На свежем воздухе он пришел в себя, вскрикнул и бросился бежать, размахивая руками и не разбирая дороги.

Сероуглерод в чистом виде – бесцветная, пожароопасная, сильно преломляющая свет, легкокипящая (46°С), малорастворимая в воде жидкость с эфирным запахом (см. 5.88, 5.89). Это активный химический реагент. Он, например, взаимодействует с водным раствором сульфида натрия Na₂S с образованием тиокарбоната натрия:

Na₂S + CS₂ = Na₂CS₃.

Свободно падающая струя CS₂ может самовоспламениться со взрывом.

Только через 50 лет после открытия CS₂ столь опасному продукту нашли области применения. В 1843 г. профессор химии Лейпцигского университета Адольф-Вильгельм-Герман Кольбе (1818–1884) предложил использовать CS₂ для получения тетрахлорида углерода CCl₄, воздействуя на CS₂ хлором Cl₂:

CS₂ + 3Сl₂ = CCl₄ + S₂Cl₂; 2S₂Cl₂ + CS₂ = CCl₄ + 6S↓.

Этот метод синтеза CS₂ применяют в промышленном масштабе до сих пор. В настоящее время вместо дефицитного и дорогостоящего древесного угля для получения CS₂ используют природный газ, содержащий метан CH₄:

CH₄ + 4S = CS₂ + 2H₂S↑.

Дисульфид углерода необходим в больших количествах не только для производства CCl₄, но и для производства вискозы, химических средств защиты растений, как растворитель в органическом синтезе. Ежегодная выработка CS₂ во всем мире превышает 1 млн. тонн.

1.31. ОСИНОВАЯ ПАЛОЧКА И ФОСФОР – И НИКАКОГО ИМПОРТА

Первая фабрика в России по выпуску фосфорных спичек была построена в 1837 г. в Петербурге. До этого фосфорные спички завозились из Европы и стоили очень дорого – один рубль серебром за сотню спичек.

Фосфорные спички появились в середине XIX в. Их изобретателей было несколько: английский химик Джеймс Уолкер (1863–1935), венгерский химик Шандор Ириньи, французский химик Шарль Сориа, немецкий учитель Ян Каммерер. Они независимо друг от друга предложили на осиновую палочку наносить смесь белого фосфора P₄ (см. 4.26), триоксохлората(V) калия KClO₃ (см. 8.7) и клея – гуммиарабика и затем высушивать смесь. Такие спички воспламенялись уже при легком трении о любую поверхность, достаточно твердую. Воспламенение вызывалось реакциями

2КСlO₃ = 2КСl + 3O₂↑, P₄ + 5O₂=P₄O₁₀.

Фосфорные спички были очень опасны: они легко возгорались, часто ими отравлялись малые дети (белый фосфор – сильный яд!), бравшие спички в рот. Спичечные головки были излюбленным ядом самоубийц. Только в России убытки от частых пожаров, вызванных употреблением фосфорных спичек, исчислялись в 1848 г. 12 млн. руб. серебром.

1.32. СПИЧКИ – «ШВЕДСКИЕ», ИЗОБРЕТАТЕЛЬ – НЕМЕЦ

Спички, которые мы с вами сейчас используем, получили название «шведских» только потому, что их промышленное производство было организовано вначале в Швеции. Из Швеции их вывозили во все страны мира, в том числе и в Россию.

Рудольф Бёттгер в 1848 г. разделил горючий состав спичек на две части: головку спички и намазку боков коробки, в которую спички упаковывались. Он же исключил из состава белый фосфор. Поэтому шведские спички нельзя зажечь трением о любую твердую поверхность. Главными составными частями головки спичек являются триоксохлорат(V) калия KClO₃ (см. 8.7), двойной оксид свинца состава (Pb₂Pb)O₄ (см. 1.11) или диоксид марганца MnO₂, молотое стекло и костяной клей, а в намазку боков коробки входят красный фосфор, сульфид сурьмы Sb₂S₃, двойной оксид свинца или диоксид марганца, молотое стекло и костяной или другой клей. Состав головок спичек и намазки спичечного коробка время от времени меняют, но перечисленные соединения, как правило, остаются. При трении головки о намазку мельчайшие частички красного фосфора, взаимодействуя с KClO₃, воспламеняются на воздухе и поджигают состав головки спички; огонь «зарождается» в намазке коробки:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂↑, P₄+ 5O₂ = P₄O₁₀.

Смесь красного фосфора и KClO₃ легко вспыхивает при трении. Двойной оксид свинца при нагревании также является источником кислорода:

2(Pb₂Pb)O₄ = 6PbO + O₂↑,

стабилизирующего процесс горения. При зажигании часть красного фосфора превращается, по-видимому, в белый фосфор, так как спичка оставляет на коробке след, светящийся в темноте. Для уменьшения пожарной опасности древесину спичек пропитывают до половины раствором фосфата аммония (NH₄)₃PO₄, вследствие чего спички гаснут без последующего тления.

1.33. «ЯМЧУГ», ИЛИ СЕЛИТРА

В 1749 г. М. В. Ломоносов написал диссертацию «О рождении в природе селитры».

Селитрой называли в прошлом нитрат калия KNO₃. Она носила в России и другое название – «ямчуг», от слова «яма» (см. 1.34, 3.20). В ямах заготавливали сырье для производства KNO₃: навоз, мочу, строительный мусор, остатки растений и др. Селитра образовывалась через два-три года в результате естественных биохимических процессов. Землю, извлекаемую из ям по истечении указанного срока, называли «селитряной землей». Для извлечения селитры «селитряную землю» обрабатывали водой, добавляя карбонат калия K₂CO₃ (см. 1.18), отфильтровывали и осторожно выпаривали досуха. Добавление K₂CO₃ приводило к превращению нитрата кальция Ca(NO₃)₂, содержащегося в «селитряной земле», в нитрат калия KNO₃, извлекаемый водой, что увеличивало выход селитры. Нерастворимым остатком был карбонат кальция CaCO₃:

Ca(NO₃)₂ + K₂CO₃ = 2 KNO₃ + CaCO₃↓.

Из одного кубометра «земли» получали 6–13 кг селитры с содержанием KNO₃ до 60–70%. В России к 1801 г. природную и искусственную «селитряную землю» уже перерабатывали 100–107 селитряных мастерских, производя в год около 500 т селитры.

В Средние века в Европе отскабливание селитры с глиняных стен домов было королевской привилегией. Стены делались из животных отбросов, садовой земли, смешанных с известью, глиной и соломой. Со временем на стенах появлялись белые налеты селитры. Шведские крестьяне, например, были обязаны платить часть своего оброка селитрой.

C 1845 г. в Россию стали завозить более дешевую чилийскую, или натриевую, селитру NaNO₃, и производство селитры из «селитряной земли» стало резко падать. Для изготовления пороха годилась только калиевая селитра KNO₃: натриевая селитра жадно поглощает влагу из воздуха, порох становится сырым и невоспламеняемым (см. 1.34). Для превращения NaNO₃ в KNO₃ к нагретому концентрированному водному раствору нитрата натрия добавляли хлорид калия КСl; при этом в осадок выпадал хлорид натрия NaCl, а из охлажденного фильтрата кристаллизовался нитрат калия KNO₃:

NaNO₃ + KCl ↔ KNO₃ + NaCl↓.

Основными потребителями селитры в прошлые века были пороховые заводы и мастерские по производству азотной кислоты – «селитряной кислоты».

Современные методы производства KNO₃ основаны на взаимодействии гидроксида калия KOH или карбоната калия K₂CO₃ с азотной кислотой:

KOH + HNO₃ = KNO₃ + H₂O,

K₂CO₃ + 2HNO₃ = 2 KNO₃ + CO₂↑ + H₂O.

1.34. СЕЛИТРА, СЕРА И ВОЙНА

В одном из декретов Конвента Франции (1790 г.) говорилось: «Всем и каждому промывать землю из своих погребов, конюшен, овчарен и коровников… те, кто пренебрег бы обязанностью извлекать из недр земли основной элемент оружия для поражения тиранов, были бы подлецами или контрреволюционерами».

Речь шла о получении селитры – нитрата калия KNO₃. После Французской революции 1789 г. Франция из-за блокады была лишена импорта селитры из Чили. Пороховые заводы остались без основного сырья, ведь в состав пороха обычно входит 75% селитры, 15% древесного угля и 10% серы. Этот состав был найден случайно (см. 9.5). Реакцию горения пороха отражает уравнение

6KNO₃ + 2S + 3С = 2K₂SO₄ + K₂CO₃ + CO₂↑ + CO↑ + 3N₂↑ + 2O₂↑.

Порох – не взрывчатка, порох – топливо, которому не нужен кислород воздуха, ему достаточно своего кислорода, находящегося «в основном элементе оружия» – селитре.

Московская Русь познакомилась с порохом еще в XIV в. Из летописей известно, что в 1382 г. москвичи уже обороняли свой город от войск татарского хана Тохтамыша с помощью огнестрельного оружия. Но первые упоминания о методе производства пороха в России относятся к 1607 г. («Устав о воинском деле», написанный по указанию Василия Шуйского).

Порох был открыт в Китае. В 682 г. философ-химик Сунь Сы-Мяо описал его состав и рецепт приготовления. Позднее, в XII в., в Китае появилось и первое огнестрельное оружие – бамбуковая трубка, заряженная порохом и пулей. В Европе о китайском рецепте изготовления пороха почти одновременно узнали монахи Роджер Бэкон (см. 25) и Бертольд Шварц (см. 9–5), а также немецкий алхимик и философ Альберт фон Больштедт, назвавший себя «Альбертом Великим» (1193–1280). Уже в 1346 г. в битве при Креси (Франция) английские войска, впервые применившие огнестрельное оружие, одержали решительную победу над закованными в железо французскими рыцарями.

1.35. ПОРОХ И «ГРЕЧЕСКИЙ ОГОНЬ»

В книге Я. Бухнера «Учение и практика артиллерии», изданной в 1711 г., сере дано следующее определение: «Сера есть минеральный корпус, из жирных и огнь приемлющих частиц, от нее же проницательство и крепкогоримый огнь».

В России при Иване IV Грозном и Петре I, располагавшими большой артиллерией, серу в основном применяли для получения черного пороха (см. 1.34). Тем не менее производство серы в России всегда было невелико. Использовали преимущественно серу, привозимую из Сицилии. Природные запасы серы в России были, однако, значительны. В XVI в. важнейшее месторождение природной серы располагалось вблизи г. Самары. Самарский серный завод в 1710 г. выпустил около 11 т серы. Для защиты завода от частых нападений вокруг него соорудили вал, построили острог и башню для караула. Другим важным для того времени месторождением серы были «Шамилевские копи» на Кавказе вблизи аула Чиркат в Дагестане. Вождь восстания Шамиль (1798–1871), которому требовалось большое количество черного пороха для борьбы против царских войск, получал серу из этого аула. В 1883 г. здесь добыли 500 т серы.

Природную серу переплавляли и перегоняли из глиняных кувшинов и отливали в форме палочек. Сера считалась хорошей, если она протекала между двух нагретых «железных блях яко воск без вони».

Сера входила во все составы «греческого огня» – смеси, использовавшейся в войнах до изобретения пороха. Эта смесь содержала также битум или нефть, иногда селитру (см. 1.33), и оксид кальция CaO. «Греческий огонь» был древним эквивалентом современного напалма. Он хорошо прилипал к поражаемым объектам и горел в присутствии воды. Вода взаимодействовала с CaO с большим выделением теплоты (см. 3.23). Впервые «греческий огонь» был применен византийцами около 680 г. н.э. в морском бою против арабов. Огневые галеры византийцев выбрасывали зажженную заранее жидкую смесь из устройств, подобных огнеметам, на неприятельские суда. В 941 г. н.э. под стенами Царьграда «греческим огнем» был уничтожен флот киевского князя Игоря. Состав «греческого огня» считался строжайшей государственной тайной.

1.36. ПРАВ ЛИ БЫЛ КАПИТАН НИКОЛЬ?

«Капитан Николь предсказывал, …что если спуск… четыреста тысяч фунтов пироксилина в пушку… сойдет благополучно, то эта взрывчатая масса сама собой взорвется, как только ее придавит тяжелый снаряд».

(Жюль Верн, «С Земли на Луну».)

В 1846 г. двумя немецкими химиками – Кристаном-Фридрихом Шёнбейном (1799–1868) и Рудольфом Бёттгером (см. 1.32) – независимо друг от друга был получен нитрат целлюлозы – пироксилин. По другим данным, пироксилин впервые получил еще в 1833 г. Анри Браконно (1780–1855) – французский химик, член Парижской академии наук. Целлюлоза – высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в волокнистых тканях и клеточных оболочках растений, состава [C₆H₇O₂(OH)₃]_n, где n – степень полимеризации, или длина цепи молекул полисахарида. Пироксилин образуется при действии смеси концентрированных азотной HNO₃ (см. 1.48) и серной H₂SO₄ (см. 1.49) кислот на целлюлозу – вату, бумажное тряпье, отходы бумаги и др.:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3nHNO₃ = [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n + 3nН₂O.

Пироксилин – бесцветная порошкообразная масса, часто имеет вид обыкновенной ваты, не взрывается при зажигании, а лишь сгорает с большой скоростью без выделения дыма, причем образуется объем газообразных веществ, в 3 раза больший, чем при сгорании черного пороха. Пироксилин взрывается только от удара и взрыва других веществ – детонаторов. Именно по этой причине в 1848 г. взлетел на воздух завод в Ле Бурже близ Парижа – первый завод, производивший пироксилин.

Медленно опускаемый снаряд героев Жюля Верна не мог вызвать взрыва пироксилина, хотя в пушку для полета на Луну было заложено 181 600 кг этого вещества (напомним, что один английский и американский фунт равен примерно 454 г).

В России производство пироксилина для получения бездымного пороха началось с 1893 г. Д.И. Менделеев (см. 2.13) в 1890–1893 гг. предложил на основе зарубежного опыта и своих работ технологию производства пироксилина, названного им пироколлодием.

1.37. «ГРЕМУЧИЙ СТУДЕНЬ» И «БАЛЛИСТИТ»

«Сайрес Смит… решил установить над ямой с нитроглицерином козлы и подвесить к ним железный брусок, прикрепив его веревкой, сплетенной из лиан. Сделав все это, Сайрес Смит зажег свободный конец веревки, пропитанный серой… Раздался взрыв неописуемой силы. Казалось, весь остров дрогнул до самых своих недр».

(Жюль Верн, «Таинственный остров».)

Нитроглицерин (или тринитрат глицерина) – бесцветная маслообразная ядовитая жидкость, взрывающаяся от удара, встряски, иногда просто от прикосновения, – был открыт в 1846 г. итальянским химиком Асканио Собреро (1812–1888). Он осторожно смешивал глицерин с охлажденной смесью концентрированной азотной HNO₃ (см. 1.48) и серной H₂SO4 (см. 1.49) кислот:

СН₂(ОН)СН(ОН)СН₂(ОН) + 3HNO₃ = CH₂(ONO₂)CH(ONO₂)CH₂(ONO₂) + 3H₂O.

А. Собреро был так напутан огромной взрывчатой силой нитроглицерина, что хотя он и работал в Артиллерийской академии Турина, но никогда не пытался предложить это вещество для военных целей.

Русский химик Н.Н. Зинин (см. 2.32) и генерал-майор артиллерии В.Ф. Петрушевский (1829–1891) пытались на основе нитроглицерина создать более безопасное взрывчатое вещество для русской армии во время Крымской войны 1853–1856 гг. Они же и разработали промышленный метод получения нитроглицерина. Этими же вопросами интересовался и шведский инженер Нобель (см. 2.30), который после обсуждения с Зининым возможности использования нитроглицерина в качестве взрывчатого вещества предложил пропитывать им пористую «землю» – кизельгур, трепел и др. Так был получен динамит (см. 9.10). Взрыв динамита быстр и разрушителен («бризантен»), поэтому он и применяется не в огнестрельном оружии, а лишь для подрывных работ при строительстве каналов, дорог и туннелей.

В 1875 г. Нобель, растворив пироксилин в нитроглицерине, получил желатинообразную массу, названную им «гремучим студнем». «Гремучий студень» оказался сильнейшим взрывчатым веществом. Позднее его стали использовать для производства еще одного вида бездымного пороха – «баллистита».

1.38. ЗАМОРСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ТОВАРЫ

В 1581 г. английская королева Елизавета по просьбе Ивана Грозного отправила в Россию 13 больших кораблей под командованием Джона Горсея. Корабли доставили к устью Северной Двины порох и сырье для его производства: селитру (см. 1.33), серу (см. 1.35) и…, как ни странно, косметические средства. Царица и ее окружение, жены бояр имели сильное пристрастие к румянам и белилам.

1.39. «ГОРЮЧИЙ ПАР»

М.В. Ломоносов (см. 2.1) в статье, опубликованной в 1745 г., писал: «При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар, который представляет собой не что иное, как флогистон».

Ломоносов рассказывает о получении водорода («горючий пар», «флогистон») при действии кислот («кислотные спирты») на железо, цинк и другие металлы:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑.

Ломоносов считал, что водород выделяется из металлов. Только в 1766 г. английский химик Кавендиш (см. 2.8), ничего не зная о работах Ломоносова, получил водород в реакции

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

и назвал его «горючим воздухом». В отличие от Ломоносова Кавендиш считал, что «горючий воздух» – это соединение флогистона с водой (см. 1.40; 1.42).

1.40. СПОРЫ О ФЛОГИСТОНЕ

«Химики сделали из флогистона смутное начало, которое не определено в точной мере и которое поэтому пригодно для любых объяснений, в которые его хотят ввести».

(А. Лавуазье, 1783 г.)

Целая плеяда замечательных химиков – Ломоносов (см. 2.1), Шееле (см. 2.7), Кавендиш (см. 2.3), Пристли (см. 2.11) – искала способы выделения флогистона из различных веществ, но так и не смогла их найти. Что же это за «составная часть веществ – флогистон»? Термин «флогистон» (от греческого – воспламеняющийся, горючий) употреблялся врачами со времен Аристотеля (см. 4.2) для указания на особо воспаленное состояние органов дыхания. Понятие о флогистоне для объяснения химических реакций ввел в обиход Георг-Эрнст Шталь (1659–1734), придворный врач герцога Саксен-Веймарского, а затем – прусского короля Фридриха-Вильгельма I. Шталь был членом Прусской академии наук и президентом Медицинской коллегии Пруссии. Он считал, что флогистон – составная часть всех горючих тел. По его мнению, флогистон выделяется при горении или обжигании веществ и, соединяясь с воздухом, образует пламя или огонь. Из воздуха флогистон выделить химическим путем уже нельзя. Только растения могут извлекать его, а через употребление растений флогистон переходит в животные организмы. Чем больше флогистона содержит вещество, тем более оно способно к горению. По Шталю, уголь состоит из почти чистого флогистона, но флогистон не является углеродом. Металлы, по представлению Шталя, являются сложными веществами, состоящими из «известей» и флогистона. Металлы, теряя флогистон, превращаются в «извести», из которых, добавляя флогистон, можно снова получить металлы. Со временем флогистон начали считать особой невесомой жидкостью, способной переливаться из одного тела в другое.

Ломоносов допускал, что флогистон – реальное материальное тело, состоящее из корпускул.

Первый удар по теории флогистона нанес Лавуазье (см. 2.28) в 1775 г. после открытия кислорода. Он показал, что никакого флогистона в природе не существует. Металлы под воздействием кислорода превращаются в оксиды (по Шталю – «извести»), а уголь, сгорая, переходит в диоксид углерода CO₂.

1.41. «СВЕТИЛЬНЫЙ ГАЗ»

C развитием металлургии в России увеличивалось и производство кокса из каменного угля путем нагревания последнего без доступа воздуха. Побочные продукты коксования угля в основном содержали водород H₂, метан CH₄, аммиак NH₃ и каменноугольную смолу. После отделения смолы газ пропускали через воду, которая растворяла аммиак, а оставшиеся газообразные продукты – водород и метан – составляли основу так называемого «светильного газа», который употребляли для освещения городских улиц и для других бытовых нужд. Пропуская газообразные продукты коксования каменных углей через водные растворы серной кислоты H₂SO₄ или хлороводорода НСl, получали сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ или хлорид аммония NH₄Cl (нашатырь, см. 1.44).

Выделение газа при нагревании угля без доступа воздуха впервые наблюдал в 1681 г. немецкий алхимик и врач Иоганн-Иоахим Бехер (1635–1682). Только через 100 с лишним лет «светильный газ» нашел практическое применение. В 1792 г. английский инженер Уильям Мурдок построил промышленную установку по сухой перегонке угля для газового освещения своего дома и фабрики. В 1814 г. уже целый квартал Лондона имел газовые фонари (см. 9.21).

1.42. ВОЗДУШНЫЕ ШАРЫ

В июне 1794 г. для наблюдения за передвижением армии интервентов во время боя при Флёрюсе (Франция) был использован привязной воздушный шар, заполненный водородом.

Способ получения водорода действием разбавленной серной кислоты H₂SO₄ на железо Fe (см. 1.39) был очень дорогим. Лавуазье (см. 2.28) и французский военный инженер Жан Мёнье (1754–1793) предложили первый промышленный метод получения водорода, заключающийся в пропускании водяного пара через раскаленный орудийный ствол:

3Fe + 4Н₂O = 4Н₂↑ + (FeFe₂)O₄^[10].

Производительность такого примитивного процесса была крайне мала. Поэтому для заполнения водородом воздушного шара Жан Кутель (1748–1835) – французский инженер и командир воздухоплавательной роты – и Николя Конте (1755–1805) – французский химик – создали более крупную установку, состоящую из семи чугунных труб, вмазанных в печь и заполненных железными опилками. При прохождении водяного пара через раскаленные докрасна железные опилки образовывался водород, который очищался пропусканием через воду и водную суспензию гидроксида кальция Ca(OH)₂.

Производительность такой установки, использовавшей 200 кг железных опилок, составляла 24 м³ водорода в час. В России аналогичную установку впервые создал в 1803 г. русский химик, академик Яков Дмитриевич Захаров (1765–1836), незнакомый с работами французских химиков. Его установка вмещала 819 кг железных стружек и производила 91 м³ водорода в час. Свою установку Захаров использовал для наполнения водородом воздушного шара (см. 2.14).

В настоящее время промышленные способы получения водорода основаны либо на извлечении его из природных газов, либо на электролизе воды.

1.43. ВОЗМУЩЕНИЕ ПРИСТЛИ. ПОЧЕМУ ОБИДЕЛСЯ УАТТ?

В 1774 г. Лавуазье (см. 2.28) провел опыты с нагреванием оксида ртути HgO:

2HgO = 2Hg + O₂↑

и убедился, что выделяющийся газ не имеет ничего общего с диоксидом углерода CO₂, который тогда называли «связанным воздухом». Новый газ O₂ Лавуазье назвал «чрезвычайно чистым воздухом», а позднее – кислородом. О своем открытии он никаких сообщений не сделал, и записи о проведенных опытах остались лишь в его дневнике. В том же году английский химик Пристли (см. 2.11) также при нагревании HgO обнаружил выделение газа, улучшающего горение свечи. Он назвал этот газ «дефлогистированным воздухом». В конце 1774 г. Пристли прибыл в Париж, встретился с Лавуазье и рассказал ему о своих удивительных опытах. После визита Пристли Лавуазье, просмотрев свои дневниковые записи, сделал сообщение в Парижской академии наук об открытии им нового газа без ссылки на разговор с Пристли. А Пристли, узнав об этом, стал утверждать, что Лавуазье использовал его сообщение для присвоения приоритета открытия нового «воздуха». В ответ на возмущение Пристли Лавуазье в 1782 г. писал: «Этот воздух, который г. Пристли открыл приблизительно в то же время, что и я, и даже, я думаю, раньше меня…». В этом споре важно отметить и другое: Пристли считал воздух однородным веществом, а Лавуазье уже в то время был твердо уверен, что воздух содержит в себе два различных газа. Ко времени визита Пристли Лавуазье получил письмо от шведского химика Шееле (см. 2.7) с сообщением об открытии им «райского воздуха» (так назвал Шееле кислород).

Позднее Лавуазье показал, что кислород входит в состав продуктов горения фосфора (P₄O₁₀), серы (SO₂) и что азотная кислота HNO₃ также содержит кислород. Это привело его к мысли, что все кислоты являются продуктами реакции присоединения нового газа к какому-либо веществу. Поэтому он и дал название этому газу «кислород» – «рождающий кислоты».

В 1781 г. английский химик Кавендиш (см. 2.3) открыл водород (см. 1.39; 5.78) и, наблюдая его горение на воздухе, установил, что при горении водород превращается в чистую воду:

2Н₂ + O₂ = 2Н₂O.

Эти опыты повторил Пристли и обнаружил те же явления.

В 1783 г. знаменитый изобретатель паровой машины англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) показал, что вода состоит из водорода («горючего воздуха») и кислорода («чрезвычайно чистого воздуха»). Лавуазье в том же году проверил опыты Кавендиша и Пристли и уже вполне определенно заявил, что «вода не есть вовсе простое тело… но она может быть разложена и вновь соединена». Уатт узнал об этом объяснении Лавуазье и усмотрел в нем то, о чем он говорил ранее сам. C чувством горькой обиды он написал одному из своих друзей: «Лавуазье знал о моей теории, но не упомянул ни в малейшей степени обо мне… Богатым людям дозволено совершать низкие дела…». Уатт действительно первым высказал мысль о том, что вода – сложное вещество. Приоритет Уатта не хотели признавать ни Кавендиш, ни Лавуазье.

1.44. ПРОДУКТ ОАЗИСА АММОНА

Аммиак NH₃ – бесцветный горючий газ с резким запахом – был известен еще в Древнем Египте за 1500–1000 лет до н.э. Египетские жрецы добывали его из «нашатыря» (хлорида аммония NH₄Cl). Для его получения сажа, осаждающаяся в дымоходах печей, отапливаемых верблюжьим навозом, подвергалась возгонке в ретортах. Образующиеся бесцветные кристаллы арабы называли «нушадир». Нашатырь был также природным продуктом разложения мочи и испражнений верблюдов и других животных в оазисе Аммона, через который проходили многочисленные караваны. По имени этого оазиса и стали позднее называть такие вещества, как аммиак и соли аммония. Выделяли аммиак, нагревая хлорид аммония NH₄Cl с гидроксидом кальция Ca(OH)₂:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ = 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2Н₂O.

По другим сведениям, аммиак получил свое название от древнеегипетского слова «аммониан». Так называли поклоняющихся богу Аммону. Во время своих ритуальных обрядов они нюхали нашатырь, который имеет запах аммиака.

Позднее аммиак стали получать в виде водного раствора («аммиачного сусла») при сухой перегонке без доступа воздуха природного азотсодержащего сырья (кожевенные отбросы, кости, кровь с боен и др.). Из одной тонны такого сырья удавалось выделить около 600 кг аммиачной воды, содержащей до 12% аммиака. Эту «воду» продавали как «нашатырный спирт». Промышленное его производство в России было организовано в XIX в. на заводе Лихачева (см. 1.22).

В XVII–XVIII вв. нашатырь ввозили в Россию из других стран. Только в 1710 г. был построен первый нашатырный завод боярского сына Нечаевского в Енисейской губернии, который стал выпускать около 5 т хлорида аммония в год. Нашатырь на этом заводе получали нейтрализацией водного раствора аммиака хлороводородной кислотой НСl:

NH₃ + HCl = NH₄Cl.

1.45. СМЕРТОНОСНЫЙ ГАЗ

Выделение газообразного фтора F₂ из фторсодержащих веществ оказалось одной из самых трудных экспериментальных задач. Фтор обладает исключительной реакционной способностью; он взаимодействует практически со всеми веществами, с которыми соприкасается, причем во многих случаях с воспламенением и взрывом.

Первыми жертвами фтора были два члена Ирландской академии наук братья Георг и Томас Нокс. Томас Нокс скончался от отравления фтороводородом HF, а Георг стал инвалидом. Следующей жертвой стал бельгийский химик П. Лайет. Мученическую смерть при проведении опытов по выделению фтора принял французский химик Джером Никлес. Отравились, надышавшись небольшими количествами фтороводорода HF, а также получили серьезные ожоги французские химики Жозеф Гей-Люссак (1778–1850), Луи Тенар (1777–1857) и английский химик Гэмфри Дэви (см. 2.44). При попытках выделить фтор при помощи электролиза его соединений нанесли ущерб своему здоровью французский химик Эдмон Фреми (1814–1894) и английский электрохимик Георг Гор. Только в 1886 г. французскому химику Анри Муассану (1852–1907) сравнительно безболезненно удалось получить фтор. Муассан случайно обнаружил (см. 9.48), что при электролизе смеси жидкого безводного HF и гидродифторида калия KHF₂ в платиновом сосуде на аноде выделяется светло-желтый газ со специфическим резким запахом. Однако когда Муассан докладывал Парижской академии наук о своем открытии, один глаз ученого был закрыт черной повязкой…

В 1906 г. Муассан был удостоен Нобелевской премии по химии за способ получения фтора.

1.46. «СИЛЬНЕЙШАЯ СОЛЬ, БЛИЖАЙШАЯ К СЕЛИТРЕ»

В одной из книг, изданных в Петербурге в 1787 г., можно было прочитать: «Без купороса особливо никакое дело совершаться не может, ибо он, есть лутчая и сильнейшая соль, ближайшая к селитре».