Текст книги "Занимательная химия"

Автор книги: Владимир Рюмин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Газ, в котором горит железо

Если бы воздух целиком состоял из кислорода, жизнь организмов развилась бы, конечно, приспособившись к дыханию чистым кислородом. Одним был бы опасен такой состав атмосферы: горючестью в ней большинства окружающих нас предметов. Страшны и сейчас пожары в деревнях с преобладанием деревянных строений, но во много раз больше была бы опасность, если бы воздух не содержал в своем составе азота, не поддерживающего горения. В нем тогда горели бы не только уголь и дерево, но и большинство металлов – железные мосты, и рельсы, и гигантские морские суда.

Чтобы показать примеры горючести в чистом кислороде веществ, не горящих или только тлеющих в воздухе, добудем немного этого газа. Есть много способов выделить его в чистом виде. В технике он получается криогенной ректификацией – сгущением воздуха сильным давлением до 200 атмосфер и последующим охлаждением (до —180 °C). При испарении такого жидкого воздуха из него раньше всего выкипает азот. Оставшийся кислород представляет собою сильномагнитную жидкость красивого синего цвета. Применяется он для автогенной сварки и резки металлов: сжигая в особых горелках водород в струе чистого кислорода, получают длинное и острое пламя, имеющее температуру 2000 °C. Стальное изделие прорезается им насквозь раньше, чем вся масса металла успевает заметно нагреться; толстые листы железа режутся, как масло ножом.

В школьных учебниках химии обычно указывают на получение кислорода каталитическим разложением перекиси водорода или хлората калия (бертолетовой соли (.хлората калия). Небольшое количество кислорода можно получить при нагревании перманганата калия. Но эти методы требуют высокой температуры и не всегда безопасны. К примеру, бертолетова соль (хлорат калия) отнюдь не безопасна. Лучше всего иллюстрировать опасность бертолетовой соли (хлората калия) такой картинкой:

«Случай выделения наибольшего количества кислорода, какое только нам известно, произошел 12 мая 1899 года на химическом заводе в Сент-Геленсе благодаря тому, что бертолетова соль (хлорат калия) случайно слишком нагрелась. Около 150 тонн приготовленной соли, упакованной в бочках, находились на складе в ожидании отправки. Каким-то образом искра от бочки, которую вкатывали в помещение, где кристаллизуется соль, попала в деревянную раму кристаллизационного чана. Дерево это, будучи пропитано бертолетовой солью, было в высокой степени способно к воспламенению. И действительно, вспыхнул страшный огонь, который поднялся вверх, и через несколько минут крыша здания была охвачена пламенем. Тут произошла страшная сцена: невероятный жар, накаляя ряд за рядом тесно сложенные бочки с бертолетовой солью, вызвал выделение огромного количества чистого кислородного газа, который расходился во все стороны. Все деревянные постройки, погруженные таким образом в атмосферу чистого кислорода, горели со страшной силой, так что вскоре все здание раскалилось добела, горя с ослепительным блеском, как в плавильной печи. Наконец, когда кислород не мог уже более достаточно быстро выделяться из бочонков, соль взорвалась. Что за взрыв!.. Два громадных удара, быстро последовавшие один за другим, возвестили городу о случившемся несчастье, а клубы черного дыма, поднявшиеся в виде гигантского столба, указывали место взрыва. Весь завод разлетелся вдребезги. Здания и склады сравнялись с землей. Большие передвижные подъемные краны сгорели, как спички. Вершина соседнего газгольдера[18]18
  Газгольдер – газохранилище.


[Закрыть] была разорвана в куски, и около 7 000 м³ пылающего газа взлетело в воздух.

Летящие и горящие головни распространяли пожар, который представлял поразительное зрелище огромного столба пламени, со страшным ревом поднимающегося на 150–200 метров в высоту.

Рис. 19. Резка металла газовой сваркой (автогеном)

Удар был столь страшный, что земля заколебалась, как при землетрясении. Дома были снесены, как ветром; на целые мили все стекла были разбиты вдребезги гигантской воздушной волной, тогда как весь город был объят паникой. Пассажиры поезда, который только что подошел к станции, подверглись страшному испытанию: хотя станция находилась далеко от места взрыва, вагоны подпрыгнули на месте, и все стекла были разбиты как будто кем-то нарочно и сразу. Вероятно, около 40 тыс. м³ кислорода таким образом сразу вылилось в воздух. Эта катастрофа была простым повторением, только в огромных размерах, одного из приключений, которые происходят со всяким, начинающим практически изучать химию, именно при приготовлении кислорода нагреванием бертолетовой соли (хлората калия)»[19]19
  Мартин Д. Указ. соч.


[Закрыть].

Рис. 20. Получение кислорода

Не правда ли, лучше кислород добывать как-нибудь иначе, безопаснее? Да! И я советую получить его действием марганцовокислого калия на перекись водорода. То и другое легко достать в любой аптеке. Концентрированный раствор перекиси водорода влейте в колбу с воронкой или двугорлую склянку, всыпьте туда же марганцовокислого калия и собирайте выделяющийся кислород в цилиндры или бутылки, наполненные водой и опрокинутые отверстием вниз, в пневматическую ванну (рис. 20) – словом, так, как собирали водород. Только, вынимая из ванны сосуды с газом, ставьте их отверстием вверх, прикрывая матовой стеклянной пластинкой, потому что кислород немного тяжелее воздуха.

Горящее железо

Обернув вокруг карандаша тонкую отожженную железную проволоку, насаживают на ее конец кусочек пробки, зажигают последнюю и опускают проволоку в сосуд с кислородом. Можно прямо вколоть свободный конец проволоки в мягкую пробку и закрыть ею склянку с газом. На дне склянки надо оставить немного воды, то есть, собирая в нее выделяющийся кислород, не вытеснять им из сосуда всю воду. В этом случае окалина (продукт окисления железа), получающаяся при сгорании железа, остывает в воде, а иначе дно склянки может лопнуть (рис. 21).

Рис. 21. Горение железа в кислороде

Наберите кислорода в бутылку из темно-зеленого стекла и зажгите в нем ленточку магния (через белое стекло свет будет так ярок, что может повредить глазам). Влейте в сосуд воды, хорошенько взболтайте с образовавшимся порошком оксида магния и через некоторое время попробуйте, как говорят химики, реакцию жидкости. Несмотря на ничтожную растворимость оксида магния в воде, реакция будет слабощелочная. Лакмусовая бумажка окрасится в синеватый цвет. Это показывает, до чего чуток лакмус к кислотам и щелочам, так как одна весовая часть окиси магния только в 55 ООО частей воды. Подумайте, как же, значит, ничтожно ее количество в том объеме воды, который находится на дне вашей склянки!

Ошибка Жюля Верна

В романе Жюля Верна «Таинственный остров» есть такие строки: «Затем руда и уголь были размещены чередующимися слоями – слой руды на слое угля и т. д. Теперь, после того как уголь будет зажжен и в кучу станут нагнетать воздух мехами, в ней должны произойти следующие химические процессы: под влиянием обильного притока кислорода воздуха уголь, сгорая, превращается в углекислоту. Углекислота же, воздействуя на руду окиси железа, отнимает от нее частицу кислорода и таким образом выделяет из нее чистое железо».

Ошибся на этот раз Жюль Верн! Углекислота, правильнее – угольный ангидрид, – предельное соединение углерода с кислородом. Оно от оксида железа отнять кислород не может! В действительности при неполном сгорании углерода образуется оксид углерода, который и отнимает от руды кислород, превращаясь в угольный ангидрид. Выделяющееся железо не чисто, оно содержит примесь углерода.

Живые мертвецы

Гораздо легче окрасится лакмусовая бумага в синий цвет, если повторить последний опыт, заменив магний калием или натрием. Это очень легкие (легче воды) серебристо-белые в свежем разрезе, мягкие, как воск, металлы, которые, подобно кальцию, приходится хранить в керосине. Они также выделяют из воды водород, но эта реакция идет у них еще энергичнее, сопровождаясь таким нагреванием, что выделяющийся газ загорается, а с ним вместе начинают гореть и сами металлы.

Мы не станем проделывать этот опыт и вам не порекомендуем, – он зачастую сопровождается небольшим взрывом, который опасен тем, что едкая жидкость может брызнуть в глаза и причинить непоправимый вред.

Я сейчас хочу показать другой опыт. Осторожно, не касаясь натрия руками, вынув его пинцетом из баночки, отделяю ножом кусочек величиной в мелкую горошину, удаляю с него керосин фильтровальной бумагой, кладу металл в железную ложечку, нагревая в пламени горелки. Натрий загорелся, и я опускаю его в цилиндр с кислородом (рис. 22). Металл горит ярким пламенем.

Чтобы оксид натрия не рассеивался в воздухе комнаты, цилиндр надо прикрыть стеклом, а после того, как горение окончится, влить немного воды и взболтать. Образовавшийся едкий натр окрашивает лакмус в синий цвет. Взгляните на мое лицо, посмотрите друг на друга. Какие у всех нас страшные, темные лица «мертвецов». Оглянитесь вокруг. Куда делись яркие краски обстановки? Как бедна окраска всех окружающих нас предметов! Таково действие лучей горящего натрия!

Рис. 22. Горение натрия

Я обещал вам сказать, что такое основания. Начать с того, что слово это является примером многих слов, переживших свое значение. До Лавуазье, выяснившего различие между сложными и простыми веществами, в науке господствовала удивительная гипотеза флогистона, таинственного флюида (истечения), менявшего свойства тел и их тепловое равновесие. Металлы считались соединением веществ, из которых они выплавляются, с флогистоном. Сами вещества эти принимались за простые тела, «основания» металлов. В действительности это были оксиды их, продукты соединения металлов с кислородом. Когда защитникам флогистона указывали на факты, противоречащие их гипотезе, они отвечали: «Тем хуже для фактов», а на замечание, что руда всегда весит больше, чем выплавляемый из нее металл, говорили: «Значит, флогистон имеет отрицательный вес». Мы называем основаниями кислородные соединения металлов, дающие с кислотами соли. Не все металлические руды – оксиды, и не все оксиды металлов – основания. Один и тот же элемент, в зависимости от степени окисления, может давать оксиды и основного и кислотного характера. Так, мы еще встретимся в наших дальнейших опытах с солями железа, в которые этот элемент входит и как металл, и как неметалл.

Наиболее резко выраженными основаниями являются оксиды щелочных металлов и нашатырный спирт. Последний, как вы знаете, представляет раствор аммиака в воде, а аммиак (мы еще ознакомимся с ним поближе) – это газ, состоящий из азота и водорода. Только самые новейшие исследования над строением атомов указывают на совершенно иные определения понятий оснований и кислот, чем принятые в наших учебниках, но здесь не место о них говорить.

Кстати, о словах и понятиях. Слово «кислород» тоже не из самых удачных, так как хотя оксиды неметаллов и дают, растворяясь в воде, кислоты, но кислоты, да еще такие сильные, как соляная, могут и не содержать в себе кислорода. Любопытная деталь. Латинское название соляной кислоты – acidum muriaticum. Хлор, в ней заключающийся, считали оксидом неизвестного элемента мурия, не желая верить, что может существовать кислота, не содержащая кислорода…

Химия неба

Помните – в самом начале книги я сказал о химии, что «она научила нас познавать состав небесных тел и даже определять их возраст»? Это было сказано не ради красного словца. Ученые, действительно, нашли способ узнавать, какие элементы входят в состав небесных тел, а по составу могут судить и об их возрасте.

Началось это с изучения света, излучаемого горящим натрием. Раскаленное добела твердое тело дает при разложении его лучей призмой сплошной семицветный спектр. Если пропустить эти лучи через пары натрия, то спектр оказывается как бы перерезанным несколькими черными линиями. Наиболее заметная, характерная для натрия линия перерезывает желтую часть спектра как раз там, где сам горящий натрий, бросающий лучи света через спектроскоп, дал бы ярко-желтую черту. Пламя каждого элемента дает не сплошной спектр, а прерывистый, состоящий из отдельных цветных полос. Внимательно рассматривая спектр Солнца, растянутый в длину, нашли в нем темные линии (фраунгоферовы линии), совершенно точно совпадающие с линиями, свойственными натрию. Что же это может означать? А то, что в солнечной сфере находятся пары натрия.

В дальнейшем, сначала в спектре Солнца, а затем и других звезд, были найдены линии, характерные для других земных элементов. Но в их спектрах имеется немало и таких линий, которые не соответствуют известным нам веществам. Часть их ученые даже окрестили заочно и по месту линий в спектре определили приблизительный характер этих внеземных элементов. Таковы гелий, короний, небулий[20]20
  Доказано, что линии, приписывавшиеся гипотетическим коронию и небулию, в действительности соответствуют наличию на Солнце азота и кислорода в особых состояниях их атомов.


[Закрыть] и др. Прекрасным доказательством, что такое определение веществ, находящихся от нас на головокружительных расстояниях в миллиарды миллиардов километров, не простая фантазия, а величайшее достижение человеческой мысли, служит история открытия гелия. После того как он был найден спектроскопом на Солнце, его удалось найти и на Земле.

Иначе сказать, когда некий новый элемент был найден в земных минералах, его спектральные линии с точностью совпали с линиями гелия. Значит, это и был гелий! Найден он и в водах некоторых источников, например на Кавказе и в Поволжье, и в количествах 0,000001—0,000002 долей объема входит в состав воздуха. Небесные тела по их спектрам делятся на состоящие из водорода и других газов, – это наиболее молодые; затем заключающие в своем составе пары металлов – группа более старая; и, наконец, содержащие углерод – самые старые. Конечно, этот «возраст звезд» зависит не только от времени, протекшего со дня их образования, но и от их размеров. Чем крупнее небесное тело, тем дольше остается оно «молодым»; чем меньше его масса, тем ранее оно успевает «состариться». Эти же наблюдения над спектрами звезд, а следовательно, над их составом показывают нам, что известные нам элементы не представляют соответственного количества абсолютно неизменяемых первичных форм материи. С течением времени, измеряемого, быть может, миллионами наших земных лет, «водородные» звезды превращаются в звезды «металлические».

Откуда же берутся в них эти металлы? Когда-нибудь астрономия, физика и химия совместно решат нам и эту задачу, и мы разгадаем тайну образования элементов, как уже начали разгадывать тайну их строения. Смещение спектральных линий элементов, наблюдаемое при изучении спектров так называемых «неподвижных» звезд, к красной или фиолетовой части спектра указывает на направление их движения – к нам или от нас. Величина же этого смещения позволяет определить скорость движения звезды. Вот к каким удивительным следствиям привел ученых простенький опыт горения натрия, который мы с вами проделали. Удивительная наука химия!

Куда делся кусочек угля?

Опустим в сосуд с кислородом на железной ложечке кусочек раскаленного докрасна угля. Он вспыхнет и сгорит без остатка ярким пламенем. Ни дыма, ни твердого оксида, как после горения металлов, в сосуде не останется. Уничтожение материи?.. Нет! Лавуазье более двухсот лет тому назад доказал, что вещество не уничтожается никакими реакциями, что меняются только его свойства. Можно проделать этот опыт, помещая герметически закрытый сосуд с кислородом на чашку весов. До и после сожжения в нем угля вес его остается тот же. Сгорая, уголь соединился с кислородом и образовал невидимый углекислый газ. Его присутствие можно обнаружить, переливая газ в сосуд с горящими огарками (рис. 23).

По мере того как сосуд наполняется угольным ангидридом, огарки гаснут один за другим, начиная от самого маленького и кончая самым высоким. Мы также уже знаем, что от этого газа мутнеет известковая вода. Почему? Потому что газ, соединяясь с известью (гидратом окиси кальция), дает нерастворимую в воде углекислую известь. Мы видели, что такое же помутнение известковой воды[21]21
  Известковую воду – раствор гидроксида кальция в воде – можно купить готовой в магазине, где продаются удобрения и садоводческий инвентарь, – она применяется для борьбы с болезнями растений, побелки стволов, – но нетрудно изготовить и самому. Надо настоять свежеприготовленную гашеную известь, слить в нее раствор, профильтровать его и наполнить им скляночку до самой пробки; тогда, будучи плотно закупоренной, известковая вода не мутнеет при хранении. Если же ее оставить надолго в соприкосновении с воздухом, она замутится, так как следы угольного ангидрида в воздухе, тем более комнатном, всегда имеются.


[Закрыть] происходит, если продувать через нее воздух, выдыхаемый нашими легкими. Вы представляете себе все то количество угля, которое почти 7 миллиардов людей, обитающих на Земле, ежегодно выдыхают в виде углекислого газа?

Вероятно, нет. Ну, так я скажу вам, что оно равно 546 миллиардам килограммов угля, который, будучи собран воедино, образовал бы куб с ребром более чем в 880 метров! А ведь это не менее чем ¹/₃ всей годовой мировой добычи угля, который мы также обращаем в углекислый газ, сжигая в заводских и домашних печах и, следовательно, вводя его состав атмосферы. А каковы заводские печи в наше время, видно из того, что домны Магнитогорска расходуют столько же воздуха, сколько вдыхают его все жители Санкт-Петербурга. Добавьте сюда газ, выдыхаемый всеми другими живыми существами всего света. А его истечение из земли! В 1783 году, при извержении угольного ангидрида одним из вулканов Исландии, газом было задушено 9000 человек и 239 000 голов домашнего скота. Из почвы он выделяется почти повсеместно; от него чаще всего задыхаются рабочие, спускаясь в глубокие колодцы и погреба.

Рис. 23. Углекислый газ гасит пламя свечи

Свеча, опущенная в такое скопление газа, гаснет. Угольный ангидрид не так ядовит, как хлор или окись углерода, но все же в больших дозах парализует головной и спинной мозг. Попутно интересное замечание: земля дышит. Дышит, как живые существа, воспринимающие кислород всей поверхностью своего тела и через нее удаляющие угольный ангидрид. Но наряду с процессами выделения углекислого газа в природе идет непрерывный процесс его разложения. Освещенные солнцем зеленые части растений поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют в него обратно кислород (процесс фотосинтеза).

Затем воды морей и океанов ежегодно растворяют в себе большие количества угольного ангидрида, не насыщаясь им, так как мириады живущих в глубине их вод организмов поглощают этот газ, вводя его в состав своих панцирей. Мел и известняк образовались из остатков несметного числа таких некогда живших организмов и продолжают и поныне образовываться на дне океанов.

Проходят миллионы лет – миг в жизни земного шара, – и там, где бушевали морские волны, возникает суша и выносит на поверхность известковые отложения океанов. Парообразующие процессы сжатием и повышением температуры превращают их строение в кристаллическое. Мрамор, из которого была изваяна Венера Милосская, был некогда известковым панцирем морских фораминифер…[22]22
  Фораминиферы– простейшие, тело которых покрыто раковиной; пережили период массового вымирания видов в конце мелового периода, уйдя на дно океана.


[Закрыть]

Из этих-то соединений углекислый газ, пребывавший в них связанным со времени, предшествовавшего появлению на Земле первого человека, и будет сейчас мною выделен.

Глава 5
«Нечто невидимое» и опыты с ним

Один знаменитый астроном назвал гигантские хвосты комет, перед которыми весь наш земной шар кажется чуть ли не песчинкой, «видимое нечто»: так ничтожна масса этих хвостов в сравнении с их размерами. Наоборот, все бесцветные газы могут быть названы «нечто невидимое», так как мы хотя и не воспринимаем их зрением, но легко можем обнаружить их материальную природу.

Чтобы добыть одно из таких «нечто невидимых», в количестве достаточном для опытов, я в колбу с газоотводной трубкой бросаю кусочки мела, обливаю их слабой соляной кислотой и через газоотводную трубку (рис. 24) отвожу выделяющийся углекислый газ в открытый сосуд.

Углекислый газ почти в полтора раза тяжелее воздуха, в малых количествах не вызывает затруднения дыхания, а потому и допускает такое упрощенное собирание. Он вливается в сборный сосуд, как вливался в него хлор, и не беда, если и перельется через край, чего о хлоре сказать нельзя.

Рис. 24. Получение углекислого газа

«Таинственный» опыт с весами

Приверженцы тайных знаний, оккультисты, утверждали, будто человек силою воли может нарушать законы тяготения, будто, помещая руку ладонью вниз над чашкой весов, он, по желанию, заставляет ее подниматься вверх и опускаться вниз. Это, конечно, чушь, а вот я действительно могу, не прикасаясь к весам и как будто ничего не добавляя на одну из чашек, заставить ее опуститься вниз. Только тут нет никакого «волшебства». Просто я взвешиваю «нечто», хотя и невидимое, но вполне материальное и, следовательно, имеющее вес.

Перед нами простые, но довольно чувствительные весы и пустой стакан, поставленный на одной чашке и уравновешенный гирями на другой. «Налив» в другой стакан угольного ангидрида из прибора, в котором он у меня получается, переливаю газ в стакан, подвешенный на весах. Коромысло весов склоняется, стакан опускается вниз (рис. 25), продолжая, по-видимому, оставаться пустым. Он, конечно, не пуст, да и раньше не был пустым.

Рис. 25. «Таинственный» опыт с весами

Сначала он был полон воздухом, а теперь наполнился угольным ангидридом. Последний более тяжел, оттого и нарушилось равновесие весов.