Текст книги "Занимательная химия"

Автор книги: Владимир Рюмин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Горение без воздуха

Что такое горение? В элементарных учебниках говорится, что «горение есть энергичное соединение вещества с кислородом воздуха, сопровождаемое выделением тепла и пламени». Об этом частном случае горения мы с вами поговорим особо: он очень важен в практическом отношении, но с точки зрения химика все же остается не более как частным случаем. В дальнейшем вы увидите, что гореть вещества могут не только в воздухе, но и под водою, а сейчас я покажу вам, что горение может происходить и без кислорода. Хлор тоже может настолько энергично соединяться с некоторыми веществами, что этому соединению сопутствует выделение тепла и образование пламени. Помните, я говорил вам, что водород горит в хлоре? Дополняю, что не только водород, но и его соединения и, сверх того, некоторые металлы. Вот я зажигаю огарок свечи, надетый на проволоку, и опускаю его горящим в сосуд, наполненный хлором (рис. 16).

Видите: свеча продолжает гореть. Правда, коптит вовсю, не хуже старинной керосиновой лампы со слишком выдвинутым фитилем, и по той же причине. В коптящей лампе пламени не хватает кислорода, и часть углерода, входящая в состав керосина[12]12
  Керосин – смесь углеводородов, один из продуктов ректификации нефти. Используется в качестве авиационного и ракетного топлива, как сырье для получения ароматических и других углеводородов, ранее использовался для освещения.


[Закрыть], не сгорая, выделяется в виде сажи. Здесь же совсем нет кислорода, а в хлоре углерод не горит; в нем сгорает только водород, находящийся в составе свечи. Зато сродство водорода и хлора так велико (смесь равных объемов этих газов взрывается даже без нагревания – на солнечном или ярком искусственном свету), что вещества, богатые водородом, сами собою загораются в хлоре.

Рис. 16. Горение в хлоре

Самовоспламенение

Вот еще пример ошибочной привычки обобщать незначительные данные. Мы привыкли видеть, что тела загораются, будучи зажжены каким-нибудь другим, уже горящим телом. К примеру, свечу зажигают от пламени спички. При этом как-то забывают, что сама-то спичка ничем не зажигается извне, а самовозгорается от трения ее головки о бумажку на коробке, то есть от повышения ее температуры. Неверна поговорка: «Нет дыма без огня». Мы видели, что дым и без огня бывает; а уж тем более было бы неправильно думать, что нет огня без огня. Страшные подземные пожары каменноугольных копей чаще всего возникают от самовозгорания угля. Сырое сено в копне тоже может загораться. Хлор докажет нам возможность самовозгорания некоторых веществ. Наливаю в пробирку немного скипидара[13]13
  Скипидар (терпентин) – жидкая смесь терпенов и терпеноидов, получаемых из смол хвойных деревьев. Применяется в качестве сырья в некоторых химических процессах, растворителя в промышленности, в медицине и ветеринарии.


[Закрыть], согреваю его, опустив пробирку в горячую воду, и смачиваю теплым скипидаром полоску фильтровальной бумаги. Бросаю ее в пробирку с хлором, – она вспыхивает и сгорает коптящим пламенем.

И негорючее может гореть

Удивительно виденное нами горение горючих тел без воздуха, но еще более странным кажется горение в хлоре таких веществ, которые мы вообще привыкли считать негорючими.

– Горит ли медь?

– Что за странный вопрос! – Конечно нет!

– Ну, так смотрите.

Беру медную монету и тру ее о стальной напильник, чтобы получить немного меди в порошке. Работа медленная и скучная. Делаю ее на ваших глазах только для того, чтобы вы видели все приготовления. А вот тут в баночке у меня такой же мелкий порошок бронзы[14]14
  Бронза – обычно сплав из меди и олова, вместо олова можно использовать любой другой элемент, кроме цинка и никеля.


[Закрыть].

Для удаления следов жира и грязи я промыл порошки крепким спиртом. Беру еще очень тоненький, тоньше бумажного листа, кусочек меди. Сбрасываю с бумаги напиленные на ваших глазах медные опилки в сосуд с хлором, – они вспыхивают и сгорают яркими блестками. Понемногу ссыпаю туда же бронзовый порошок, – он так же загорается сам собою и сгорает весь без остатка. В заключение опускаю в хлор медный листок; обратите внимание на зеленый цвет его пламени. Зеленая пыль, покрывшая дно сосуда, – это соединение меди с хлором, хлористая медь. Итак, негорючесть меди нами опровергнута.

Дымовая завеса

К числу химических «достижений» военного дела относится маскировка расположения воинских частей, сокрытие их действий от наблюдения неприятеля за дымовой завесой. Только это не дым костров и вообще не настоящий дым, образующийся при горении. И в этом случае на помощь сражающимся пришла химия. Если мы заменим в нашем предыдущем опыте медь оловом, взятым в виде станиоля (тонких оловянных листов, в какие, например, раньше упаковывали плитки шоколада), а сам газ немного подогреем, то эффект будет тот же самый – олово сгорит.

Не буду делать этого опыта: у меня есть уже готовое хлорное олово. Как видите, при обыкновенной температуре это не твердое, а жидкое вещество. На один момент приоткрываю склянку, в которой оно у меня хранится. Замечаете этот густой белый дым? Это хлорное олово соединяется с парами воды, всегда присутствующими в воздухе, и дает тончайшую белую пыль. Выливая хлорное олово на землю, войска за образующейся густой белой завесой скрывались от врага. Защита недешевая! Хлорное олово – вещество дорогое, поэтому на войне стали пользоваться дымовыми завесами, получаемыми другими, тоже химическими, способами.

Фейерверк в склянке

Наиболее эффектным примером самовозгорания и горения в хлоре является горение в нем сурьмы. Сурьма – очень хрупкий металл. Истолченную в порошок сурьму – а толчется она легко – всыпаю в маленькую шаровидную колбочку и соединяю горло последней широкой резиновой трубкой со стеклянной трубкой, проходящей через пробку, которая закрывает сосуд с хлором (рис. 17).

Рис. 17. Подготовка огненного дождя

Вот и все приспособление для фейерверка. Поднимаю колбу вверх и небольшими порциями пересыпаю порошок сурьмы в банку с хлором. Правда, какой красивый огненный дождь? Порошок сурьмы, перед тем как сгореть, раскаляется добела, и тысячи огненных искр наполняют банку. Повторяя описанные опыты самостоятельно, не забывайте, что хлор поддерживает только горение, но не дыхание. Берегите ваши легкие и глаза и, делая опыты в комнате, если лишены возможности работать на открытом воздухе, работайте у открытого окна или в вытяжном шкафу.

Хлор в мировой войне

Вот как картинно описывает Л. Никулин газовую атаку хлором и ее убийственные последствия:

«Еще было далеко до рассвета, но ветер дул с запада прямо в лицо, и это был не предутренний ветер, а знак перемены погоды. Облака стояли на западе низкой стеной, и от этого темная ночь была еще темнее.

И вдруг что-то сразу задвигалось, зашевелилось, заколебалось впереди за косогором, где лежали в окопах немцы. Там пели рожки, там двигались неисчислимые людские массы. В русских окопах припали к брустверам[15]15
  Бруствер – небольшая насыпь, часть окопа или траншеи, устраиваемая для более удобной стрельбы, защиты от пуль, осколков снарядов и для укрытия от наблюдения противника.


[Закрыть] наблюдатели. По всей линии били газовую тревогу, и дымящимися, колеблющимися желтыми языками зажигались в окопах костры.

Газовый наблюдатель глядел в темноту и, сжимая зубы, бил штыком по подвешенному куску рельса. Свистели дежурные, смены выбегали из блиндажей и растекались по окопам. Плясали огромные, уродливые тени от пылающих костров. Жгли костры, чтобы дымом остановить газ. Тяжелый, уже явственный, гнилой запах газа был в предательском, ласковом ветре запада. Маски противогазов уродливыми наростами, отвратительной опухолью белели на лицах. Плясали тени костров, колыхалось пламя, но от этого еще страшнее был мрак, ночь за окопами, еще тревожней была тишина. Затем вдруг взметнулись, уходя в небо огненнолиловыми змеями, ракеты. Небо треснуло пополам, и вдоль всего фронта, с юга на север, обрушился на русские окопы чудовищный раскаленный град. Не было слышно ни отдельных разрывов, ни привычного частого пулеметного хлопанья. Сплошной оглушающий грохот, сплошное клокотание разрывов на многие версты вдоль и в глубину фронта. Отчаянно, беспорядочно палили на второй линии русские винтовки, хотя стрелять было некуда. Впереди, в первой линии, может быть, еще были свои. Но душный рвотный, мутящий запах газов, плач и стон шли оттуда, гудела и дрожала от сумасшедшей пальбы земля, и мешался разум, пальцы судорожно нажимали курок, и руки щелкали затворами.

Будто чудовищные, гигантские ковры выбивали чудовищные, гигантские руки над проклятым полем. Вой и стоны стояли над окопами. Корчась в крови и грязи, падали люди и ползли, путаясь в своих и чужих внутренностях. Едкий, ползучий, невидимый в темноте газ насыщал гипосульфит плохих противогазов, разъедал легкие, и люди бросались из окопов и бежали по изрытому воронками полю, вдруг останавливались как вкопанные и, настигнутые свинцом, валились лицом вниз».

Это картина газовой атаки хлором из времен Первой мировой войны 1914–1918 годов. Хлор выпускается по ветру из баллонов. При внезапной перемене направления ветра газовая волна шла обратно и отравляла тех, кто ее послал. Такие случаи бывали. Хлор теперь сравнительно «невинный» газ. К концу войны и в последующие годы химики усовершенствовали как взрывчатые, так и отравляющие вещества и способы их действия.

Еще страшный газ

Из опыта мировой войны известно, что как ни страшна газовая атака хлором, но она кажется невинной в сравнении с действием фосгена, представляющего соединение хлора с окисью углерода (хлор-окись углерода). Газ этот бесцветен, резкого запаха в смеси с воздухом не имеет, и отравление им дает знать себя не сразу, а часов через восемь, вызывая отек легких и смерть. К нему, а впоследствии и к другим соединениям хлора стали прибегать военные химики, когда противники обзавелись масками, парализующими действие хлора. Но «нет яда, против которого не было бы противоядия», а потому уже довольно скоро после введения фосгена в методы войны научились бороться и с фосгеном и с другими, еще более страшными газами. Вот о второй-то составной части фосгена – об окиси углерода – я и хочу сказать вам несколько слов. Это так называемый «угарный газ». Не так давно, когда для обогрева помещений пользовались печами, отравление угарным газом было не редкостью. Вернейшее предупреждение вредных последствий этого газа – это выйти на свежий воздух, а затем обязательно обратиться к врачу. Мы не станем получать этот газ (он получается разложением щавелевой кислоты, но этот опыт слишком рискован), тем более не будем делать с ним опытов, а лучше прочтем, что писал о нем один ученый.

«Страшный спутник наших жилищ»

Так была озаглавлена большая статья об этом «домашнем яде», из которой я приведу главнейшее, что каждому следует знать об окиси углерода.

«…Давно известно, что примесь ее к воздуху в самых малых количествах (несколько тысячных долей объема воздуха) совершенно достаточна для того, чтобы менее чем в полчаса убить человека. И, что особенно ужасно, такой воздух, заключающий в себе смертельную дозу отравы, ничем не отличается (по внешним признакам) от чистого воздуха: окись углерода есть газ, не имеющий ни вкуса, ни цвета, ни запаха[16]16
  Чернышев К.А. // Физик-любитель. Т. II. № 6–7. С. 63.


[Закрыть].

В условиях повседневной жизни отравления, оканчивающиеся смертью, сравнительно редки. Большею частью они ограничиваются учащением сердцебиения, головной болью, тошнотой, головокружением, но еще чаще (при нескольких миллионных долях содержания окиси углерода в воздухе) тяжестью головы, апатией, дурным расположением духа, беспокойным сном… Сущность отравления окисью углерода была раскрыта знаменитым физиологом Клодом Бернаром. Благодаря ему мы знаем, что окись углерода, попадая в кровь, полностью поступает в эритроциты и соединяется в них с гемоглобином (железосодержащим белком, переносящим кислород к тканям организма). Так как соединение гемоглобина с окисью углерода более прочно, чем с кислородом, то само собою разумеется, что долго и в сколько-нибудь значительных размерах такое явление продолжаться не может, – наступает асфиксия (удушение), за которой следует вскоре смерть».

Прервем рассказ Чернышева. Ужасная драма разыгралась 30 мая 1917 года при взятии Карнилье. Французы наступали, чтобы захватить господствующую возвышенность. Перед их атакой велась канонада: артиллерийская подготовка к атаке. Когда высота была французами занята, обнаружился один из результатов этой подготовки. Один из французских снарядов попал в воздушный канал туннеля, выходы из которого были засыпаны осколками скал, разрушенных другими снарядами. Снаряд, попавший в воздушный канал, отравил окисью углерода два батальона немцев, спрятавшихся в туннеле и готовившихся к контратаке. Их трупы вплотную забили выходы из туннеля.

Вернемся снова к тому, что говорит Чернышев.

«Но и во всех тех случаях, когда мы вдыхаем ничтожнейшие количества окиси углерода, эта последняя делает понемногу свое губительное дело – прекращает жизнедеятельность некоторой части эритроцитов. Это ведет к расстройству деятельности всех систем органов: мышцы слабеют и делаются неспособными к обычной работе, пищеварение становится неправильным, учащается сердцебиение, нервы расстраиваются, голова тяжелеет и теряет способность соображать привычным образом, память изменяет на каждом шагу (например, в именах окружающих людей). Такова ужасная картина единичного легкого отравления окисью углерода. Но и это еще не все. Как известно, в наш организм постоянно попадают всевозможные болезнетворные микробы, с которыми сейчас же вступают в ожесточенную борьбу лейкоциты. Недостаток жизнедеятельных кровяных телец обеспечит перевес в этой борьбе за микробами. Таковы микропричины и макроследствия.

Жаровня с горящими угольями в комнате с закрытыми дверями и окнами – хорошо известное и бесспорное средство, которым часто пользуются романисты в повестях с трагической развязкой. Но повествователи большей частью бывают плохими химиками; вероятно, поэтому они умалчивают, как образуется смертоносный яд в жаровне с угольями. Не менее интересен такой старинный, никем не подозреваемый источник угара, как сплошной чугунный утюг, нагреваемый на плите или прямо в топке и внесенный в другое помещение для глажения: в невидимых порах чугуна заключается большой запас окиси углерода, которая выделяется наружу по мере остывания утюга. Гладильщица, наклоняющаяся над утюгом, могла угореть таким образом даже на открытом воздухе, без кусочка горящего угля поблизости».

Автомобили с двигателями внутреннего сгорания – это тоже источник окиси углерода. Она находится в выхлопных газах их моторов и отравляет уличный воздух, а в плохо вентилируемых машинах – и воздух внутри их. Это вызывает головную боль и головокружение у пассажиров. Анализ воздуха улиц показал, что в нем содержится 44 части окиси углерода на 10 ООО объемов воздуха. Особо значительно содержание этого страшного газа в туннелях с сильным автомобильным движением. В некоторых таких туннелях принято устанавливать специальные контрольные аппараты, определяющие количество окиси углерода в воздухе и сигнализирующие, когда оно становится опасным.

К сожалению, в широких кругах не подозревают, что окись углерода – «коварный газ», который нельзя обнаружить обонянием. Ошибались раньше, говоря, что самовар «пахнет угаром». Пахнут в этом случае сравнительно безвредные продукты сухой перегонки угля, присутствие которых, правда, служит косвенным указанием на наличие страшной окиси углерода. Хуже всего было убеждение большинства, что, если «угаром не пахнет», значит, и опасности никакой нет. И опять-таки, к сожалению, мало кто был знаком с прекрасным способом обнаружения присутствия окиси углерода в воздухе в самых ничтожных дозах. Этот способ заключается в следующем: надо внести в помещение, в котором подозревают наличие угарного газа, фильтровальную бумагу, смоченную раствором хлористого палладия. От малейших следов окиси углерода бумажка почернеет. Для установления диагноза, отравлен ли человек угарным газом, химия дает также способ: несколько капель раствора медного купороса, прибавленные к разбавленной водой крови здорового человека, меняют окраску последней на желто-зеленую; кровь же угоревшего человека остается ярко-красной. В промышленных предприятиях, где приходится сталкиваться с опасностью отравления окисью углерода, устанавливаются специальные сигнализирующие приборы – газоанализаторы. Эти приборы бывают физическими, химическими и электрическими.

Современная техника сумела, однако, этот страшный газ применить с пользой для дела.

Голубой и водяной газы

Надо отдать справедливость техникам, что они чрезвычайно любят придумывать совершенно неудачные названия, ставящие в тупик непосвященных. Химия не знает голубого газа. Так прозвали американские техники получаемую умышленно в больших количествах окись углерода, потому что этот газ горит голубым пламенем. Получают его сожжением дешевых сортов топлива, не развивающих при сгорании большого жара. Горящий газ направляют навстречу току искусственно нагретого воздуха, смесь вспыхивает и сгорает в конечный продукт окисления углерода – в угольный ангидрид (углекислый газ). Температура такого пламени доходит до 1000 °C, и оно применяется там, где требуется не только большое количество тепла, но и сильный жар: в металлургии, в стеклянном производстве, для движения и освещения.

Филологический курьез. В технике применяется еще один газ с содержанием до 25 процентов голубого газа, то есть окиси углерода, и называется он блаугаз (сжиженный светильный газ). По-немецки слово blau значит «синий». Но правильное его название – газ инженера Блау, по фамилии лица, предложившего его применение, а не «синий газ». Таким газом, между прочим, питались моторы дирижабля «Цеппелин-127». Что касается водяного газа, то физик и химик назовут водяным газом совершенно разные вещи! Химик – воду в газообразном состоянии, водяной пар, перегретый до такой температуры (свыше 1000°), при которой его никаким давлением нельзя сгустить в жидкость. Техник же назовет водяным газом горячую смесь окиси углерода с водородом, получающуюся при разложении раскаленным углем воды, пульверизируемой на его поверхность в виде пыли или пускаемой в виде струи пара. Уголь при этом соединяется с кислородом воды в окись углерода, а водород освобождается. В избытке воздуха такая смесь газов сгорает, причем окись углерода обращается в неспособный к дальнейшему горению угольный ангидрид, а водород – обратно в воду. Сказанное попутно объясняет нам, почему в кузницах, чтобы усилить жар, брызгали в уголь воду и отчего гашение большого пожара тонкими струйками воды из ручных пожарных насосов не только не гасило, но и усиливало пламя.

Газы дыхания и горения

Один английский химик сказал, что поэт, впервые уподобивший жизнь горению свечи, был ближе к истине, чем сам это думал. Зажжем свечу. Коснемся ее пламени холодным утюгом. На нем, как и при прикосновении к пламени водорода, мы заметим капли воды, но, кроме того, еще и сажу. Поставим огарок свечи в высокий стеклянный цилиндр (хотя бы в банку из-под варенья). Погорев некоторое время, свеча погаснет. Вольем в сосуд известковой воды, – вода помутнеет. Подышим на холодное стекло, – оно запотеет, покроется мелкими каплями воды. Будем дышать через налитую в стакан прозрачную известковую воду, опустив в нее один конец стеклянной трубки, а другой держа во рту (рис. 18).

Вдыхайте при этом воздух носом и, задержав его в легких секунд на пять, выдыхайте ртом через трубочку: вода опять-таки помутнеет. Помутнение в обоих случаях зависит от одной и той же причины: от наличия соединения углерода с кислородом.

Рис. 18. Мы выдыхаем углекислый газ

Это угольный ангидрид. С водой он дает слабую угольную кислоту, но зачастую даже в учебниках химии и самый газ называют углекислым газом, а то и прямо углекислотой. Следовательно, как при горении, так и при дыхании выделяются одни и те же продукты: вода и угольный ангидрид. Если бы мы в первом опыте, с которого начались наши беседы, вместо магния взяли ядовитый фосфор[17]17
  Фосфор известен в четырех видах (аллотропических модификациях): желтый, красный, белый, черный (фиолетовый). Из-за высокой химической активности не встречается в природе в чистом виде. Образует примерно 190 видов различных минералов.


[Закрыть], то опыт показал бы нам, что только пятая часть воздуха – кислород, в нем растворенный, – поддерживает горение.

Если бы мы имели жестокость поместить под стеклянный колокол, погруженный краями в воду, какое-нибудь животное, оно бы задохнулось раньше, чем вода поднялась бы в колоколе. Почему же? Потому что фосфор, жадно соединяющийся с кислородом, перестанет гореть только тогда, когда сожжет весь кислород (то есть израсходует его на сожжение), а живое существо умрет уже при недостатке последнего. Должен оговориться: не всякое живое существо. Есть бактерии, «дышащие» серой; есть живые существа, для которых кислород – яд.

Реакции экзо– и эндотермические

При взрыве водорода с кислородом образуется вода и освобождается энергия. Чтобы разложить воду на водород и кислород, надо, наоборот, затратить энергию. Реакции, сопровождающиеся выделением энергии, называются экзотермическими, реакции, требующие притока энергии извне, называются эндотермическими. Если вещества соединяются с выделением энергии, то на разложение полученного соединения надо затратить такое же количество энергии, какое выделилось, когда они соединялись. И обратно, если вещества соединяются, поглощая энергию, то при разложении они столько же ее выделяют.

Отсюда важный практический вывод: многие реакции проделываются не для получения новых видов веществ, а для использования энергии, выделяющейся при реакциях. Печи топят, сжигая горючее, не для того, чтобы превратить входящий в его состав углерод в угольный ангидрид, а водород в пары воды, а для того, чтобы использовать тепло, возникающее вследствие этих реакций.

В гальванических элементах цинк растворяют в кислоте не для получения цинковой соли, а для использования возникающего при этой реакции электрического тока. Химические процессы в технике используют, значит, не только для производства тех или иных веществ, но и для получения света (зажигание спички, горение свечи и керосиновой лампы), тепла (сожжение топлива в печах), механической энергии (взрывы смеси газов в двигателях внутреннего горения), электричества (в гальванических элементах и аккумуляторах) и т. д.