Владимир Рюмин
Занимательная химия
Исторический курьез
Гальваническое золочение, о котором сказано выше, – это частный случай гальваностегии – покрытия одного металла другим при помощи электрохимического процесса разложения током соли данного металла. Гальваностегия и гальванопластика (получение металлических копий с рельефных изображений) были открыты в России в 1838 году Морицем Якоби. Заметив, что осевшая на отрицательном полюсе гальванического элемента медь, отделяясь от него, дает с него слепок, Якоби стал покрывать слепки с рельефных изображений графитом и осаждать на них слой меди, получая копии оригиналов. Он писал своему великому современнику Фарадею: «Я буду иметь честь послать вам рельеф из меди, оригинал которого сделан из пластического вещества, поддающегося в руках художника всем изменениям. При помощи этого метода сохраняются все мельчайшие особенности оригинала, теряющиеся при отливке». Французская академия наук наградила за это открытие Якоби золотой медалью.
Глава 3 Опыты с газами
Много лет тому назад один известный ученый писал другому: «Опишу вам опыт страшный и ужасный…» – а речь-то шла всего-навсего о разряде лейденской банки[7], опыты с которой теперь безбоязненно проделывает любой школьник. Однако ученый был прав, называя опыт ужасным, так как он иной раз оканчивался смертью экспериментатора (например, смерть Доппельмейера в 1750 году).
Отчего же то, что казалось раньше страшным, да и в самом деле таким было, теперь никого не пугает? Оттого, что люди научились как следует обращаться с лейденской банкой, чтобы ее разрядом не причинять вреда ни себе, ни другим.
Химику подчас приходится иметь дело с веществами куда более опасными. Даже при самом поверхностном знакомстве с этой наукой нельзя избежать встречи с веществами, которые могут оказаться очень опасными при неумелом обращении с ними. Немало химиков поплатились здоровьем и даже жизнью, впервые работая с такими веществами. Зато теперь мы знаем, как обезопасить те страшные силы, которые в них скрыты, и безбоязненно проделываем с ними всевозможные опыты. «Нет плохих ролей, а есть плохие актеры», – уверял какой-то драматург. Так и мы скажем, что «нет опасных веществ, а есть неумелые экспериментаторы». Мы постараемся не попасть в их число. Хотя и говорят: «Тот не ездок, кто под конем не бывал; тот не химик, у кого ни разу водород не взорвало», с последним я не согласен. Химик должен быть осторожен и аккуратен, а у осторожного и аккуратного человека никаких непредвиденных «случаев» быть не должно. А потому, приняв все меры предосторожности, займемся теперь получением «страшных газов».
Кто не слышал об убийственных газах на полях сражений мировой войны? Кто не читал предсказаний, что последующие войны станут «химическими», что в них главная роль отведется отравлению противника смертоносными, всюду проникающими ядами? На первый раз мы познакомимся с газом, хотя и не ядовитым и не применяемым в химической войне, но тем не менее весьма опасным и требующим наибольшей осторожности при его получении.
Самый легкий газ
Самый легкий из всех газов называется водородом. Он в 14 раз легче воздуха. Воздух же, надо заметить, в 770 раз легче воды. Таким образом вода, с которой мы все так хорошо знакомы, заключает в своем составе наиболее легкое из всех известных нам на земле веществ. А что это так, что вода не простое тело и водороду недаром дано его прозвище, я сейчас вам докажу. Мы все безбоязненно пьем воду, она необходима для поддержания нашей жизни, она в количестве 58 процентов входит в состав нашего тела. Дело в том, что водород не растворен в воде, как сахар в стакане чая: он вместе с другим газом, кислородом, образует воду. В том-то и заключается удивительная тайна химических превращений, что вещества, вступая в соединения друг с другом, дают совершенно новые вещества, а не простую смесь начальных веществ.
Перейдем к некоторым опытам. Перед вами две двугорлые склянки, наполненные каждая на 2/3 водой; их горла плотно заткнуты проваренными в парафине мягкими и упругими пробками; через первую пробку первой склянки пропущена почти до самого дна склянки стеклянная трубка, оканчивающаяся воронкой. Вторая пробка этой склянки соединена с первой пробкой второй склянки изогнутой под прямыми углами стеклянной трубкой, которая в первой склянке опущена лишь немногим ниже пробки, а во второй доходит почти до дна. Из последней пробки выходит газоотводная трубка, изогнутая, как показано на рис. 9. Оттянутый кончик ее с узким отверстием погружен в воду пневматической ванны. Роль последней может играть обыкновенная глубокая тарелка.
Перед тем как приступить к опыту, я самым тщательным образом замазываю все пробки замазкой, чтобы газ, который мы станем добывать, не нашел нигде выхода через зазоры между стеклом и пробкой. Наполнив два-три узких и высоких стеклянных цилиндра водой, я прикрываю их квадратными кусочками матового стекла.
Цилиндры, при нужде, можно заменить обыкновенными стеклянными бутылками из-под минеральной воды. Здесь же на столе у меня штатив с пробирками и полотенце. Как можно дальше от прибора для получения газа, всего лучше – на особом столике, поставленном в нескольких шагах, – спиртовка с колпаком (рис. 10).
Рис. 9. Получение водорода
В школах обычно получают водород в подобных приборах, действуя серной кислотой на цинк. Вы, вероятно, знаете, что серная кислота в высшей степени гигроскопична и, в большинстве случаев, хорошо растворяет металлы, образуя соответствующие сернокислые соли и выделяя водород. Применяемый для наполнения аэростатов водород долгое время добывали подобным образом; только вместо дорогого цинка брали дешевое железо в виде железного лома.
Однако я покажу вам другой способ получения интересующего нас газа. Он гораздо удобнее и менее опасен. Не будем забывать, что серная кислота – это вещество, с которым чем меньше будем иметь дела, тем лучше, особенно когда нельзя обойтись кап-лей-другой, а приходится работать с относительно большими ее количествами.
Я воспользуюсь тем, что многие металлы вытесняют водород не только из кислот, но и из воды. Правда, в большинстве случаев такое разложение происходит лишь при очень высокой температуре, но, к счастью, есть некоторые металлы, способные разлагать воду и при обыкновенной температуре.
Рис. 10. Спиртовка
К таким металлам принадлежит кальций. Я храню его в баночке с плотно притертой пробкой. Как видите, он залит какой-то жидкостью. Это – керосин, на который кальций не действует химически. Зато на воздухе этот металл быстро окисляется, ржавеет, превращается в известь (негашеную). Тот же процесс происходит под водой, только в этом случае образовавшийся оксид соединяется с избытком воды в так называемую гашеную известь. Вынув кусочек серовато-белого металла щипчиками, осторожно обсушиваю его фильтровальной бумагой, удаляя следы керосина, не касаясь металла руками. Теперь смотрите: я вынимаю из первой склянки первую пробку, быстро бросаю куски кальция в воду, сейчас же вновь закупориваю банку и обмазываю пробку замазкой. Куски металла, упав на дно склянки, покрываются пузырьками газа, которые, оторвавшись от поверхности, быстро всплывают вверх.
Вскоре жидкость в банке кажется словно кипящей. Выделяющийся газ вытесняет, вернее, увлекает с собой воздух и идет с ним вместе во вторую склянку, а оттуда из газоотводной трубки – в окружающую атмосферу, булькая пузырьками через воду. Наполнив одну из пробирок водой, закрываю ее пробкой, переворачиваю и опускаю ее конец в воду тарелки, играющей у нас роль пневматической ванны. Отвожу пробку в сторону и держу отверстие пробирки над отверстием трубки.
Пузырьки газа, ранее выходившие через воду, идут в пробирку, вытесняя из нее воду. Вскоре пробирка наполняется газом. Опять закрываю ее пробкой, вынимаю из воды и быстро несу к столику, на котором стоит спиртовка. Держа пробирку отверстием вниз, подношу ее к пламени и открываю.
Слышали свист? Он показывает, что водород в пробирке смешан с воздухом и обращаться с ним надо осторожно. Нужно, следовательно, подождать немного, пока выделяющийся водород вытеснит следы воздуха из аппарата. А чтобы не сидеть без дела, прочтите страничку из книги одного английского химика о том, как иногда может быть опасен взрыв водорода.
Вот что он пишет: «Несколько лет тому назад рабочие, занятые при постройке большого парового котла для германского военного судна, по небрежности оставили внутри его несколько кусков цинка; им в голову не приходило, что этим они могут причинить смерть многим своим товарищам и повергнуть много рабочих семей в глубокое отчаяние. Паровик был поднят на судно и установлен на место. Несколько времени спустя судно отправилось в пробное плавание. Трюм был переполнен занятыми кочегарами; машины впервые дрогнули и быстро погнали мощное судно по морю. Вода за это время нагрелась до чрезвычайно высокой температуры, и цинк быстро растворялся в ней, освобождая при этом значительное количество водородного газа. Этот газ вместе с воздухом образовал в паровике страшно взрывчатую смесь. Люди, работавшие вокруг паровика, конечно, ничего этого не подозревали, а между тем котел постепенно наполнялся все больше и больше этой смертельной смесью. Как вдруг, без малейших предупредительных признаков, с ослепительным блеском и оглушительным громом большой паровик разорвался на части, убив или искалечив всех находившихся в помещении людей, а само судно наполнилось облаком перегретого пара. Причина взрыва осталась тайной, пока в остатках паровика не нашли кусочков цинка. Таким образом, мы видим, что силы химического сродства, находясь под контролем, становятся полезными слугами, а вне контроля – страшными господами»[8].
Замазка Менделеева
Я сказал, что при сборке аппаратов для получения газов следует все щели замазывать замазкой. Лучше всего брать замазку, изобретенную нашим великим химиком Д.И. Менделеевым. Она готовится сплавлением 100 частей канифоли с 25 частями воска, в которые примешивается 40 частей оксида железа.
К расплавленному воску присыпают, перемешивая, порошок канифоли, затем оксида железа, продолжая нагревать и перемешивать, пока не получится однородная масса, которую разливают в картонные формочки или спичечные коробки. Перед применением ее вновь расплавляют. Замазка склеивает стекло со стеклом и стекло с металлом.
Сам изобретатель был настолько доволен ею, что не раз говаривал: «Эх, Дмитрий Иванович, что бы ты делал, если бы профессор Менделеев не изобрел своей замазки». Кстати, о Менделееве. Его научная деятельность высоко ценилась в культурных странах, он был членом чуть ли не всех европейских академий наук, кроме… русской. Представители «чистой науки», петербургские академики, забаллотировали его кандидатуру в члены академии на том основании, что он «унижает» себя, занимаясь чисто практическими вопросами – приложением науки к технике.
Вода из огня
Ну, теперь опять можно вернуться к нашему прибору. Наполним газом еще один цилиндр. На этот раз газ сгорает почти беззвучно и не моментально, можно даже заметить появившееся при этом почти бесцветное пламя. Вынем газоотводную трубку из пневматической ванны и, отвернув на всякий случай в сторону лицо, зажжем выходящий из нее газ. Он горит спокойно, маленьким, еле видным пламенем. Что же получается при горении? Вода! Приблизьте к пламени холодный, совершенно сухой утюг, – он покроется каплями воды. Металлы отнимают от воды кислород, а выделившийся водород снова при сгорании соединяется с ним и снова превращается в воду. Водород горит не только в воздухе: еще энергичнее, чем с кислородом, соединяется этот газ с хлором. Если бы опустить наше водородное пламя в сосуд с хлором, оно не погасло бы; оно продолжало бы гореть, сменив свой голубоватый, чуть заметный цвет на зеленоватый, ясно видный. Хлор (мы еще с ним познакомимся) – цветной газ. Его желто-зеленый цвет бледнел бы по мере горения водорода, и, когда бы содержимое сосуда обесцветилось, пламя угасло бы само собою. В результате горения мы получили бы уже хлористый водород.
Прилив в сосуд воды и взболтав сосуд, мы получили бы соляную кислоту, окрашивающую лакмусовую бумажку в красный цвет. Но мы не станем проделывать этот опыт: как хлор, так и хлористый водород ядовиты, и их не следует получать в домашних условиях.
«Взрыв» аэростата
В годы активного использования дирижаблей и аэростатов химики обезопасили от огня воздухоплавание, наполняя оболочку дирижаблей инертным газом гелием. К сожалению, гелий не так легок, как водород, и его получение представляет собой несколько более сложный процесс, чем получение водорода. Но использование гелия практически решает вопрос топлива для воздухоплавания, ведь неуправляемые аэростаты раньше наполнялись и светильным газом[9]. Светильный газ тяжелее водорода и также огнеопасен, но обходился значительно дешевле.
Рис. 11. Взрыв игрушечного аэростата
Раньше на улицах наших городов часто появлялись продавцы с гроздьями красных, зеленых и синих детских воздушных шаров, наполненных светильным газом. Купив при случае такой шар, с ним можно было в безопасном виде воспроизвести катастрофу, которая в действительности ужасна. Такие катастрофы с воздухоплавателями, увы, бывали. Прикрепив к шару легонькую корзиночку (гондолу), вырезанную из бумаги, и усадив в нее таких же бумажных воздухоплавателей, привязывали к нему вместо обычной тонкой бечевки, удерживающей шар, стопиновую нить. Такие шары имеют внизу коротенькую резиновую трубку, туго-натуго перевязанную несколькими оборотами бечевки. Не развязывая последней, трубочку обвязывали концом стопиновой нити. Стопин – это, собственно, не нить, а узенькая ленточка, пропитанная медленно горящей смесью аммонийной селитры с пороховой пылью. Метр стопина сгорает в течение 15 секунд. Вам его понадобилось бы не более полутора метров. Дав шару подняться на длину стопиновой нити, свободный конец последней поджигали и выпускали шар на волю. Конечно, опыт следовало проводить не в комнате, а на открытом воздухе и в тихую погоду. Шар, плавно поднявшись ввысь, менее чем через минуту взрывался, и несчастные «аэронавты», крутясь и перевертываясь в воздухе, падали на землю.
Переливание… вверх
Всегда ли переливаемое вещество льется сверху вниз? Мы так привыкли переливать жидкости, которые во много раз тяжелее воздуха, что нам и в голову не приходит ставить подобный вопрос. А между тем, подумав, вы сами легко сообразите, что нельзя из пробирки с водородом перелить этот газ в другую пробирку тем же приемом, какой мы применяем при переливании воды. В этом случае придется как раз обратно – переливать из нижней пробирки в верхнюю.
Наполнив под водой одну из пробирок водородом, берем другую «пустую», то есть наполненную воздухом, и, держа последнюю отверстием вниз, ставим ее рядом с первой. Теперь пробирку с водородом быстро переворачиваем вверх отверстием так, чтобы оно пришлось как раз под отверстием второй пробирки (рис. 12). Если опыт удался, легкая вспышка при приближении второй пробирки к пламени спиртовой лампы покажет нам, что водород «перелился» в нее из первой пробирки. Известный навык, требующийся для такого опыта, приобретается после двух-трех упражнений.
Рис. 12. Переливание вверх
