Текст книги "Удивительная химия"

Автор книги: Илья Леенсон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 14 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Для более точных измерений химики пользуются аналитическими весами. Когда-то каждый экземпляр аналитических весов изготовлялся мастером вручную и стоили хорошие весы очень дорого. Уже в начале XIX века точность самых лучших весов достигала 0,001 г (или 1 мг). Однако лишь немногие химики могли похвастаться такими весами. Даже знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус имел в молодые годы плохо оборудованную лабораторию с довольно грубыми весами, поэтому для получения надежных результатов он был вынужден повторять один и тот же анализ по 20–30 раз! За 10 лет Берцелиус произвел анализ порядка 2000 соединений, состоящих из 43 элементов. Можно только восхищаться усердием, с каким он проделал эту колоссальную работу. Спустя почти столетие другой знаменитый химик Вильгельм Оствальд, один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии, увидев в музее оборудование, с которым работал Берцелиус, сказал: «Мне стало совершенно ясно, как мало зависит от прибора и как много от человека, который перед ним сидит». Конечно, Оствальд имел в виду не только весы, и его слова остаются во многом справедливы и сегодня.

Со временем весы совершенствовались, и через несколько десятилетий уже каждый химик имел возможность взвешивать на стандартных аналитических весах несколько граммов вещества с точностью до 0,0001 г (рис. 2.4). Такие аналитические весы до сих пор можно встретить во многих лабораториях. Два больших цилиндра над чашками весов, внутри которых с маленьким зазором движутся цилиндры чуть меньшего диаметра, – это демпферы, назначение которых – быстро «успокоить» качание весов.

_{Рис. 2.4. Аналитические весы}

Гири для аналитических весов должны быть очень точными. Поскольку коррозия может изменить массу гирь на несколько миллиграммов (а это совершенно недопустимо), гири покрывают тонким слоем золота. А чтобы они не пачкались, их разрешается брать при взвешивании только специальным пинцетом. Точное взвешивание на аналитических весах – дело долгое и кропотливое. Даже малейшее движение воздуха в комнате влияет на их показания, поэтому весы помещают в шкафчик со стеклянными дверцами. Для облегчения процедуры взвешивания самые легкие гирьки на таких весах изготовляют в виде тонких проволочных колечек; они подвешены справа вверху на специальном держателе и помещаются в нужное место на коромысло весов с помощью рычажков, которыми можно управлять, вращая пластмассовый черный диск на внешней дверце шкафчика. Такие аналитические весы – очень сложный и капризный механический агрегат. Их коромысло качается на опоре из особо твердого минерала – агата. Таким весам посвящались целые параграфы в учебниках, и аккуратной работе с ними ранее долго обучали студентов. Вот что писала в рекламной брошюре 1940 года фирма «Кристиан Беккер», производившая такие весы: «Простой расчет показывает, что средний химик проводит значительную часть рабочего времени у весов. В лаборатории нередко можно видеть химиков, ожидающих возле весов своей очереди, задерживающих важную работу, чтобы провести необходимое взвешивание. В связи с этим очевидна необходимость в быстро работающих, удобных и точных весах».

Возникла необходимость – и задача была решена. Постепенно эти красивые аналитические весы уходят в прошлое. Недавно в бюллетене Американского химического общества была опубликована заметка, где говорилось, что весы – один из основных инструментов химика, за последнее время потеряли шарм, который в свое время делал их центральным местом лаборатории. И потеряли они его в результате… усовершенствования. Современные аналитические весы настолько удобны в работе, надежны и относительно дешевы, что многие химики как бы перестали их замечать, привыкли к ним. Современные весы – настоящее чудо электронной техники (рис. 2.5). На электронных весах можно взвесить с высокой точностью легкие образцы, стаканчик с раствором и даже тяжелую банку с краской. Обратите внимание: чем легче взвешиваемый предмет, тем больше знаков после запятой выдают весы. Для очень точных измерений электронные весы могут выдавать вес до пятого знака после запятой, т. е. до сотой доли миллиграмма.

_{Рис. 2.5. Электронные весы}

Электронные весы экономят массу времени: на взвешивание уходит всею несколько секунд. Судите сами: у электронных весов – всего одна чашка и никаких гирь! Чтобы отвесить, например, определенное количество реактива в виде порошка, химик ставит сначала на чашу весов пустую посуду, например, стаканчик. Встроенный в механизм чувствительный датчик давления выдает на микропроцессор сигнал, и после мгновенного вычисления на световом табло сразу высвечивается масса стаканчика, причем с очень высокой точностью (у некоторых весов точность измерения можно по желанию изменить). Нажатие специальной кнопки – и на табло опять одни нули; это значит, что процессор «запомнил» массу стаканчика и далее будет автоматически учитывать ее, когда в стаканчик поместят взвешиваемое вещество. Многие весы имеют также специальные программы для обнаружения ошибки взвешивания, усреднения погрешностей, вызванных вибрацией здания. Точность же электронных весов может быть необыкновенной. Так, микровесы имеют чувствительность до 10 ^-6г, а ультрамикровесы – 10 ^-7г. На таких весах можно определить массу точки, которую вы поставили авторучкой на листке бумаги!

Когда химики работают с жидкостями, например, с водными растворами, они обычно определяют не массу, а объем раствора. И в этом случае приборы для определения объема могут быть самыми разными и совершенно непохожими друг на друга – все зависит от того, каков 44 объем раствора и какова точность измерения. Вы, возможно, видели аптечные склянки с делениями, которые показывают объем налитой жидкости. Химики для этих целей используют мерные стаканы (один такой стакан показан на предыдущем рисунке – он стоит на весах), колбы и цилиндры (рис. 2.6).

_{Рис. 2.6. Колбы для жидкостей с делениями (а) и мерные цилиндры (б). Справа внизу (в) изображена колба на 25 мл}

Колба и цилиндр справа снабжены стеклянной притертой пробкой. С такой пробкой раствор может находиться в сосуде очень долго, не испаряясь.

Стаканы и колбы с делениями предназначены лишь для приблизительной оценки объема жидкости, поскольку они не очень точны. Цилиндры (они бывают огромные, на несколько литров, но точность их невелика – 50 или 100 мл, а бывают и маленькие цилиндры на 5—10 мл с делениями через 0,5 мл или даже меньше) позволяют отмерять объем жидкости значительно точнее. Тут как с весами – чем меньше измеряемое количество, тем меньше и цена деления. Чтобы лучше видеть цифры, шкала цилиндра может быть окрашена. Шестигранное основание цилиндра не дает ему катиться по столу, если его положить на бок (пустой, конечно). А надетое в верхней части пластмассовое кольцо не даст цилиндру разбиться, если он случайно упадет на лабораторный стол.

Когда при выполнении химических анализов химикам приходится готовить с большой точностью определенный объем раствора, например, 25, 100 или 500 мл, для этой цели используют стеклянные мерные колбы. Отличительная особенность мерной колбы – узкое длинное горлышко с нанесенной в верхней части кольцевой меткой – риской, до которой необходимо налить раствор, чтобы получить требуемый объем. Узкое горлышко позволяет точнее отмерять объем жидкости. Если при данной температуре (а температура, при которой измерен объем колбы, указана на стенке сосуда) насыпать в колбу точно взвешенную массу твердого вещества, затем налить в нее примерно на 2/3 объема растворитель (например, воду), закрыть пробкой, осторожно взболтать до растворения твердого вещества, а потом медленно (а в конце буквально по каплям) долить воду ровно до метки, то получится раствор вещества точно известной массы в точно известном объеме. Это позволяет легко рассчитать концентрацию полученного раствора, что для химиков очень важно.

Иногда химикам приходится объединять обе операции взвешивание раствора и определение его объема. Делается это для того, чтобы определить плотность раствора – для этою надо сто массу разделить на объем. Для определения плотности служат пикнометры – с виду они такие же. как мерные колбы, только очень маленькие, например, на 1 мл. Наполняют пикнометры до метки пипеткой с оттянутым узким кончиком. Сначала с помощью дистиллированной воды и точных весов определяют объем пикнометра, после чего его можно использовать для определения плотности любой жидкости.

_{Рис. 2.7. Мерная пипетка на 5 мл (а),пипетки на 1.5 м 10 мл (б),микрошприц (в)и приспособление для набора и слива жидкости (г)}

Аналогом мерной колбы на небольшой объем является мерная пипетка (рис. 2.7, а, б). На ней тоже есть риска – кольцевая метка в верхней узкой части пипетки. Другие пипетки – с делениями – позволяют отмерять разные небольшие объемы жидкости (обычно от 0,1 до 10 мл) с достаточно высокой точностью. Обратите внимание на две пипетки на 10 мл. Левая работает «на слив», т. с. из нее выпускают весь набранный до определенного деления объем жидкости. С помощью правой пипетки на 10 мл объем жидкости отмеряют по разности делений. Медленно затягивать жидкость в пипетку и сливать из нее можно так: укрепить на штативе в вертикальном положении пипетку и рядом с ней в горизонтальном положении – медицинский одноразовый шприц (без иголки) подходящего объема. Затем соединить носик шприца с верхней частью пипетки кусочком резиновой трубки. Медленно двигая поршень шприца, можно набирать в пипетку и сливать из нее нужное количество жидкости. Существуют и другие приспособления – с резиновой грушей, например, показанное на рис. 2.7, в.При этом отпадает необходимость в штативе.

Иногда необходимо точно отмерить очень малый объем раствора. Для этого существуют микрошприцы; изготовленные с высокой точностью, они позволяют переносить из одной емкости в другую миллионные доли литра, т. е. микролитры (мкл) раствора, отсюда и название шприцов. Миллионная доля литра – это тысячная доля миллилитра. Показанный на рис. 2.7, вшприц при полном его заполнении вмещает 1 мкл жидкости, а цена самого маленького деления – 0,01 мкл. Для сравнения: маленькая капелька раствора имеет объем около 0,02 мл, или 20 мкл!

В некоторых случаях химику требуется вычислить количество определенного вещества по объему вступающего с ним в реакцию раствора другого вещества с известной концентрацией. Этот прием в объемном анализе называется титрованием; о нем мы еще поговорим, когда речь пойдет о проведении химического анализа. В химической лаборатории измерение объема израсходованного раствора производят с помощью бюретки – длинной стеклянной трубки с делениями и с краником внизу, с помощью которого помещенный в бюретку раствор можно вводить в реакцию не струей, а по каплям (рис. 2.8, а).Объем бюретки может быть разный (например, на 25 или 50 мл). На стенки бюретки нанесены деления, позволяющие измерить объем раствора с точностью до 0,1 мл или даже точнее. Для увеличения точности отсчета существуют специальные приставки с увеличительным стеклом, которые надеваются на бюретку и могут скользить по ней (рис. 2.8, б ).Глядя в окуляр приставки, можно очень точно установить положение в бюретке столбика жидкости по ее мениску – вогнутой части на границе жидкость – воздух.

_{Рис. 2.8. Нижняя часть бюретки с краником (а), увеличительная насадка для точного измерения уровня жидкости в бюретке (б), приспособление с резиновой трубкой и шариком, заменяющее краник (в)}

Конечно, бюретки (а часто и пипетки) не держат во время работы руками, а прикрепляют их специальными зажимами к стойке штатива. Нижнее основание штатива обычно делают чугунным и тяжелым, поэтому штатив стоит на столе очень устойчиво и его нелегко уронить.

До сих пор в некоторых лабораториях вместо бюретки с краником используют значительно более дешевые бюретки, оканчивающиеся просто стеклянным носиком. Как же тогда «спускать» из бюретки жидкость, тем более по каплям? Для этого химики давно придумали остроумное приспособление: на нижнюю часть бюретки надевают небольшой отрезок резиновой трубки, внутрь которой загоняют стеклянный шарик, а потом в свободный конец трубки вставляют небольшую стеклянную трубочку с вытянутым носиком (как у аптечной пипетки). Диаметр шарика должен быть больше диаметра трубки, тогда жидкость из бюретки выливаться не будет (рис. 2.8, в).Но если большим и указательным пальцем надавить на трубку в том месте, где внутри сидит шарик, стараясь оттянуть резину немного вбок, между шариком и внутренней стенкой трубки появится небольшой зазор, и жидкость из бюретки начнет просачиваться. Регулируя давление на шарик, можно заставить жидкость литься струйкой, а можно – редкими отдельными каплями.

Перемешивание и термостатирование

Когда из бюретки раствор реагента добавляют к раствору в колбочке или химическом стакане, необходимо хорошее перемешивание. Перемешивание нужно и во многих других случаях. Конечно, можно встряхивать колбочку вручную, особенно если она маленькая, а жидкости в ней немного. Но в любом случае проще и приятнее, если перемешивание происходит автоматически. Раньше для этого был один способ – над колбой или стаканом с раствором укрепляли на штативе специальный моторчик, который вращал длинную металлическую или стеклянную палочку, конец которой 48 был опущен в раствор. Для лучшего перемешивания конец стеклянной палочки нетрудно было причудливо изогнуть с помощью горелки. А на металлическую палочку можно надеть какую-нибудь крыльчатку. Регулируя напряжение на моторчике, можно изменять скорость его вращения, чтобы жидкость хорошо перемешивалась и в то же время не выплескивалась из стакана (рис. 2.9, а).

Указанный способ перемешивания не всегда удобен, особенно если в раствор надо добавлять реагенты или измерять в нем температуру. В таких случаях можно использовать магнитные мешалки. В небольшом ящичке с немагнитной крышкой находится моторчик, который вращает сильный магнит. Скорость его вращения можно регулировать, меняя напряжение на моторчике с помощью рукоятки на передней панели ящичка. Если в центр ящика, прямо над невидимым магнитом, поставить стакан или колбу с раствором, а на дно положить маленький магнит, запаянный в стеклянную или пластмассовую трубочку (это и предохраняет раствор от загрязнения, и уменьшает трение о дно стакана), то, вращая медленно рукоятку прибора, можно получить в жидкости настоящий «торнадо» – такой, какой виден на рис 2.9, б.Часто магнитные мешалки снабжены регулируемым подогревом, так что можно одновременно перемешивать раствор и нагревать его до нужной температуры.

_{Рис. 2.9. Приспособление для перемешивания с моторчиком (а), перемешивание с помощью магнитной мешалки (б)}

А если нужно выдерживать реакционную смесь при строго постоянной температуре в течение длительного времени? Такая проблема возникает, например, при измерении скорости реакции, поскольку скорость может очень сильно зависеть от температуры. В таких случаях используют термостат. Название этого прибора говорит само за себя: оно происходит от греческих слов «термос» – «теплый» (или «терме» – «жар») и «статос» – «стоящий». Термостат – уже довольно сложный прибор (рис. 2.10). Его основа– большой бак, обычно литров на 10. В него заливается дистиллированная вода, которая интенсивно перемешивается мешалкой с мотором (цилиндр этого мотора виден в правой части). Внутри бака расположен электрический нагреватель, при включении которого вода начинает нагреваться; ее температура контролируется обычным лабораторным термометром (он расположен в задней части слева). Чтобы прекратить нагрев при достижении определенной, заранее установленной температуры, термостат снабжен так называемым контактным термометром (он расположен в самом центре и принцип его действия будет описан в рассказе о температуре и термометрах). Назначение контактного термометра – выключить (с помощью расположенного за ним реле) нагреватель, как только температура поднимется до нужной, и снова включить нагреватель, если температура чуть-чуть понизится. А температура в приборе понижается не столько от охлаждения его воздухом (этот процесс очень медленный), сколько от охлаждения обычной водопроводной водой, протекающей через металлический змеевик (он находится внутри бака и потому не виден). Ввод воды и се вывод осуществляется двумя резиновыми шлангами, которые присоединяются к двум коротким металлическим трубочкам, видным в левой задней части термостата. Таким образом, контактный термометр осуществляет тонкий «баланс» между нагревателем и «охладителем» и позволяет поддерживать температуру в термостате с точностью примерно ±0,1 «С в интервале от +1 до +95 °C. И если в термостат поместить колбу с веществом, температура вещества будет постоянной до тех пор, пока работает термостат. Если к воде добавить глицерин, температуру можно повышать уже до +160 °C (с повышением температуры вязкость глицерина быстро снижается), а если вдруг потребуется еще более высокая температура (что случается редко), в термостат заливают так называемое цилиндровое масло, которое можно нагревать до 30 °C! Конечно, и контролирующий, и контактный термометры должны соответствовать рабочему диапазону температур.

_{Рис. 2.10. Этот термостат позволяет поддерживать температуру от -60 до +300 °C с высокой точностью, а в диапазоне от +15 до +80 ° С с точностью ±0.02 °C}

Если в специальную металлическую емкость, вставленную в бак. поместить лед, то температуру воды в термостате можно поддерживать более низкой, чем комнатная. Если же лед смешать с солью, можно опустить температуру ниже нуля градусов по Цельсию (но сам термостат при этом придется вместо воды заполнить низкозамерзаюшей жидкостью, например, водно-спиртовым раствором). Теоретически смесь льда с поваренной солью может понизить температуру до —21,3 °C, а если лед смешать с кристаллами хлористого кальция, можно получить лаже —55 °C! Еще более низкую температуру, до —78 °C, даст «сухой лед» – твердый углекислый газ (его широко используют в пищевой промышленности, например, для сохранения мороженого жарким летом). Уместно сказать, что чистый этиловый спирт замерзает при еще более низкой температуре, примерно при —114 °C, правда, ниже -100 °C он уже начинает загустевать.

Но это не все. что умеет «умный» прибор. В самой правой его части видна еще пара трубочек, к которым присоединены уходящие вправо резиновые шланги. Если переключить белую рукоятку, вода помчится из бака по одной из этих трубочек. А по другой она должна вернуться назад! То есть циркулирующая в термостате вода способна поддерживать постоянную температуру где-нибудь еще, обычно неподалеку от термостата. Например, в каком-нибудь приборе. Конечно, там надо предусмотреть герметичный кожух, в одно из отверстий которого вода будет вливаться, а из другого – выливаться.

А если нужно не просто подогреть или охладить вещество, а сильно повысить его температуру, например, чтобы хорошо просушить осадок на фильтре? Для этого существуют сушильные шкафы (рис. 2.11).

_{Рис. 2.11. Воздух в этом сушильном шкафу можно нагреть до +200 °C}

В них тоже имеется датчик температуры (обычно электрический), нагреватель и реле, с помощью которого можно задать требуемую температуру. Конечно, точность поддержания температуры в сушильном шкафу не идет ни в какое сравнение с термостатом. Но это и не требуется. В таких сушильных шкафах удобно также сушить вымытую химическую посуду.

Измерение температуры

Трудно найти человека, во всяком случае в цивилизованных странах, который бы ни разу не измерял температуру тела. Термометр – настолько привычная вещь домашнего обихода, что на него не обращают внимания. И только в случае недомогания мы пристально всматриваемся в ртутный столбик – не повышена ли температура? А ведь термометры появились сравнительно недавно, и в течение нескольких тысячелетий у людей не было не только термометров, но они даже не знали такого понятия, как температура. Слово это происходит от латинского глагола tempera —«соблюдать меру»; соответственно temperamentumу древних римлян означало «соразмерность». А вместо температуры использовали качественные понятия: тепло, холодно, жарко, очень жарко и т. д. Понятия эти весьма относительные: одному человеку в помещении может быть жарко, другому – прохладно (особенно если у него повышена температура).

Можно проделать простой эксперимент, показывающий относительность тепловых ощущений человека; этот эксперимент известен уже несколько веков. Поставьте в ряд три кастрюли или глубокие миски. В левую налейте воду погорячее, но такой температуры, чтобы в нее еще можно было опустить руку. Кстати, попробуйте спросить своих знакомых, какая должна быть температура воды, чтобы еще можно было держать в ней руку. Вероятно, некоторые ответят – градусов 60–70 и очень удивятся, если вы скажете им, что если температура воды в кастрюле будет выше 45 °С градусов, то они не смогут опустить в нее руку даже на несколько секунд! В среднюю кастрюлю налейте воду, температура которой близка к 36 °C, так чтобы рука в ней не чувствовала ни холода, ни тепла. А в правую – воду похолоднее (в нее можно добавить несколько кусочков льда из холодильника), а зимой – снега. Конечно, вода не должна быть совершенно ледяной, чтобы не «заморозить» руку. Теперь опустите правую руку в холодную воду, а левую – в горячую, и через 5-10 секунд перенесите обе руки в среднюю кастрюлю. Ощущение будет необычным: одна рука почувствует явное тепло, другой же будет холодно!

«Градусы тепла» научились измерять только в XVII веке. В эти годы уже работали французский философ, математик и физик Рене Декарт (1596–1650), итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли (1608–1647), знаменитый итальянский математик, физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642), немецкий астроном, физик и математик Иоганн Кеплер (1571–1630), английский химик и физик Роберт Бойль (1627–1691), французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662), выдающийся английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1642–1727), другие ученые, заложившие основы современной науки. Отличительная черта этой эпохи – изобретение важнейших инструментов и проведение с их помощью количественных измерений. Именно переход от умозрительных суждений к эксперименту вызвал бурное развитие науки, продолжающееся по сей день.

Одним из важнейших изобретений XVII века было изобретение термометра. Сначала у него было мало общего с современным термометром. Например, Галилей изобрел термоскоп (рис. 2.12). Галилей взял стеклянную колбочку размером с куриное яйцо и присоединил к ней тонкую стеклянную трубочку длиной около 25 см. Нагрев колбочку руками, он опустил конец трубки в сосуд с водой. По мере остывания воздуха в колбочке вода частично заполняла трубку.

_{Рис. 2.12. Рисунок из старинной книги с иллюстрацией действия термоскопа}

Если колба нагревалась или охлаждалась, легко было заметить, что уровень воды в трубочке меняется. Впоследствии в трубочку стали вводить лишь капельку воды, которая двигалась вверх или вниз в зависимости от температуры воздуха. Прибор Галилея реагировал даже на небольшое нагревание или охлаждение колбочки.

Но это не был «настоящий» термометр, потому, что он реагировал не только на температуру, но и на атмосферное давление: при его повышении капелька воды двигалась в сторону колбочки, а при понижении – к концу трубочки. Причем изменение давления действовало на объем воздуха в колбочке значительно сильнее, чем изменение температуры. Так что это был «полутермометр-полубарометр». Однако о существовании атмосферного давления в то время ничего не знали.

Постепенно прибор Галилея все более совершенствовался. Воду стали подкрашивать, чтобы она была лучше видна, а на трубочку наносили деления, чтобы можно было судить о «степени тепла». Для повышения чувствительности диаметр трубки уменьшили, а ее длину увеличили. Ведь чем тоньше трубка, тем сильнее будет влиять на положение капельки воды температура в колбочке. Чтобы тонкая длинная трубка не сломалась, ее изгибали – иногда самым причудливым образом (рис. 2.13).

_{Рис. 2.13. Показаны некоторые попытки сделать трубки первых термометров более компактными}

По мере того как трубочки термометров становились все более узкими, чувствительность термометров возрастала и наконец повысилась настолько, что стало возможным помещать в колбочки термометров не воздух (его объем очень сильно меняется с температурой), а жидкость, объем которой реагирует на изменение температуры незначительно. Например, если нагреть при постоянном давлении 1 литр воздуха с 20 до 50 °C, его объем увеличится на 10 % – до 1,1 л. Если же нагреть с 20 до 50 °C литр воды, ее объем увеличится только на 1 % (до 1,01 л). Но вода при температуре ниже 0 °C замерзнет, и прибор сломается; поэтому вместо воды обычно использовали подкрашенный спирт, который не замерзает даже в самые сильные морозы. Помимо этого спирт расширяется при повышении температуры в несколько раз сильнее, чем вода. Объем жидкости от давления практически не зависит, поэтому «термоскоп» стал «настоящим» термометром.

Больших успехов в изготовлении термометров достигли мастера-стеклодувы из итальянского города Флоренции, где в 1657 году князь Леопольдо Медичи основал Академию опытов. Главное усовершенствование состояло в том, что из шара и трубки удаляли воздух, после чего конец трубки герметизировали сургучом. Так впервые удалось полностью избавиться от влияния атмосферного давления, а заодно устранить испарение жидкости из трубочки. Приборы флорентийских мастеров были настоящими произведениями искусства (рис. 2.14). Их изготовление описано в трудах Академии, изданных в 1667 году: «Прежде всего стеклодув должен изготовить шарик соответствующей величины с припаянной к нему трубкой. Наполнение инструмента жидкостью происходит следующим образом: шарик нагревают и затем сразу погружают открытый конец трубки в спирт. Спирт начинает медленно подниматься по трубке. При помощи воронки с вытянутым тонким носиком спирт доливают в шар. Трубка заранее делится на равные части, причем деления отмечаются белыми бусинами. Затем почти готовый термометр нагревают и, наконец, герметически закрывают его, как только спирт достигнет высшей точки».

_{Рис. 2.14. Изображения термометров в трудах итальянской Академии опытов (1666)}

Обычно бусинами из белой эмали, которые впаивали в разогретую трубку, делили шкалу на 10 равных частей. Затем каждый промежуток делили еще на 10 равных частей с помощью девяти бусин из черной или цветной эмали. На длинной спиральной трубке термометра помещали много делений и наблюдали малые изменения температуры. С помощью таких термометров флорентийские академики сделали несколько открытий. Они, например, установили, что показание термометра не меняется, когда его шарик погружен в толченый лед, даже если сосуд со льдом помещен в кипящую воду. Ученые не знали, как объяснить это явление и не догадывались, что оно наблюдается при плавлении любого вещества. Сейчас любой школьник знает, что температура смеси воды со льдом будет постоянной (0 °C). пока весь лед не растает.

А теперь посмотрите на современный термометр – трубочка, по которой поднимается ртуть или спирт, очень узкая, особенно у медицинского термометра. Такие трубочки называются капиллярами (от латинского слова capillus —«волос»). Действительно, некоторые термометры имеют капилляры диаметром несколько сотых долей миллиметра – тоньше человеческого волоса! Эти термометры такие чувствительные, что легко улавливают изменение температуры даже в тысячные доли градуса.

Если положить рядом термометры, изготовленные в разное время в разных странах, они могут показать совершенно разные температуры. Например, на одном будет 40°, на другом – 50°, на третьем – 122°! Вы, наверное, уже догадались, что это разные градусы.

_{Рис. 2.15. Термометр, изготовленный в XIX веке, позволял определять, в соответствии с привычкой владельца, температуру по Цельсию или Реомюру, а также переходить от одной шкалы к другой}

Действительно, когда-то во Франции и в России были распространены термометры со шкалой Реомюра, которая была предложена в 1730 году французским ученым Рене Антуаном Реомюром (1683–1757). В этом термометре шкала между точками замерзания и кипения воды разделена на 80 частей (рис. 2.15).

В США распространена шкала Фаренгейта, предложенная в 1714 году работавшим в Голландии искусным немецким физиком и стеклодувом Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686–1736), который первым начал изготовлять точные термометры. У нас шкала Фаренгейта известна в основном благодаря знаменитому фантастическому рассказу Рея Брэдбери «451° по Фаренгейту». Формула, связывающая шкалу Фаренгейта (F) со шкалой Цельсия, выглядит очень странно: t °F = 9/5(1 °C) + 32. Откуда она взялась?

Для калибровки своих термометров Фаренгейт использовал две точки: очень низкую температуру, которую дает смесь мелко колотого льда с солью и которая была принята за нулевую, а также «нормальную» температуру тела человека. Этот интервал он разделил на 12 частей; это число удобно тем, что оно делится и на 3, и на 4, и на 6. Первоначальные градусы получились у Фаренгейта слишком крупными (каждый градус соответствовал примерно 5 °C). Поэтому со временем Фаренгейт изменил шкалу: интервал между температурами охлаждающей смеси из льда с солью и плавления льда он последовательно пять раз разделил пополам и таким образом получил для плавления льда отметку на 32° выше нулевой (вот откуда в формуле для пересчета градусов Цельсия в градусы Фаренгейта появилось число 2 ⁵= 32). По шкале Фаренгейта нормальная температура тела человека равна 98°, а температура кипения воды – 212°. Теперь становится понятным и другое число в формуле для перехода от шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта – это сотая часть интервала между точками кипения воды и плавления льда: (212 – 32)/100 = 9/5. А в рассказе Брэдбери 451 °F – 233 С – это температура, при которой воспламеняется бумага (при чуть более высокой температуре – 236 °C – возгорается сосновая древесина). В научной литературе американцы давно перешли на привычную нам стоградусную шкалу. Что же до обывателей, то их мнение образно выразил один фермер, который на вопрос, чем ему не нравится шкала Цельсия, ответил: «Я никогда не поверю, что 40 градусов – это очень жарко. Когда же утром по радио передают, что сейчас в округе плюс десять градусов, то я твердо знаю, что мне надо одеться потеплее, взять лопату и идти отгребать снег от гаража…»