Текст
3 . шплусус
ХИМИИ
Перевод с немецкого и редакция
проф. Б. М. БЕРКЕНГЕЙМА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР
Москва 1959
SIGMAR SPAUSZUS
Streijzuge durch die Chemie
Urania- Verlag
Verlag fur populMrwissenschaftliche Literatur
Leipzig/Jena
1956
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Выпущенная в свет известным немецким издательством популярной
литературы по естествознанию «Урания» книга Зигмара Шпаусуса «Путе-
шествие в мир химии» представляет собой весьма своеобразное и талант-
ливо написанное пособие, которое не только может заинтересовать и
увлечь читателя излагаемым в нем материалом, но и в значительной сте-
пени пополнить его знания в области элементарной химии. В научно-по-
пулярной форме, но в то же время на высоком научном уровне в книге
излагаются сведения о важнейших химических элементах и их соедине-
ниях, об основных химических законах и теориях, о приложении хими-
ческой науки в быту и промышленности. Большое внимание в книге уде-
лено роли химии в жизни природы и в сельскохозяйственном производ-
стве.
Среди вопросов, составляющих общие основы химии как науки, в
книге имеется много данных о последних исследованиях в этой области,
вплоть до выделения по отдельным вопросам специальных глав. При из-
ложении данных по тому или иному вопросу автор знакомит читателя
с самыми последними научными теориями, составляющими успехи хими-
ческой науки последних лет (например, теория фотографического про-
цесса, строение соединений кремния, химия коллоидов, теория электро-
лиза и т. д.).
Введен в книгу и исторический элемент, вплоть до описания жизнен-
ного пути и научной деятельности таких крупных ученых, как М. Фара-
дей, Ю. Либих и др. Автор правильно оценивает заслуги и великих рус-
ских ученых-химиков — М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева.
При объяснении химических явлений автор стоит на правильных ма-
териалистических позициях, и все вопросы, обычно трактуемые в буржу-
азной литературе с идеалистических позиций, он раскрывает как матери-
алист-диалектик (например, учение о катализе, строении вещества и т. п.).
В книге излагаются вопросы, относящиеся только к неорганической
и физической химии. Вопросы органической химии в ней не затрагива-
ются.
3
Книга написана ярким, доходчивым языком, читается легко и отли-
чается увлекательным изложением даже в тех случаях, когда на ее стра-
ницах рассматриваются сложные теоретические и технологические проб-
лемы. Правда, некоторые вопросы в книге трактуются с точки зрения тех
условий, которые являются характерными для Германской Демократи-
ческой Республики (например, в отношении природных ресурсов страны,
экономики и т. д.), однако это обстоятельство нисколько не снижает ни
поучительности описываемых примеров для советского читателя, ни их
значения для народного хозяйства нашей страны и роли в ней химии и
химической промышленности.
Книга Шпаусуса должна получить признание у преподавателей выс-
ших и средних учебных заведений, студенчества, учащихся старших клас-
сов средних школ и техникумов, а также у лиц, занимающихся самооб-
разованием.
Содержание книги подверглось лишь незначительным изменениям ре-
дакции. Некоторые рисунки, не имеющие прямого отношения к тексту,
опущены. Часть иллюстраций, имеющихся в немецком издании книги,
заменена другими, более подходящими для советского читателя.
Все подстрочные примечания к тексту книги сделаны ведущим ре-
дактором К. Я. Парменовым.
Москва.
Октябрь 1958 г. Профессор Б, Беркенгейм
ПРЕДИСЛОВИЕ
Само заглавие этой книги уже характеризует ее содержание. Она не
представляет собой учебника в обычном смысле этого слова и не долж-
на, следовательно, ставить перед собой задачу более или менее подробно
и полно и во всяком случае последовательно изложить читателю хими-
ческие знания в соответствии с программой: хорошие книги учебного ха-
рактера имеются и без того в достаточном изобилии.
В настоящей книге содержатся лишь беседы по химии. В ней опи-
саны экскурсии в мир химии. На первый план в ней поставлено содер-
жание не учебного характера, но материал, иллюстрирующий тот или
иной метод или ту или иную проблему в области химии. При этом
автор позаботился также и о постоянной смене как характера изложе-
ния, так и приводимых иллюстраций. Вполне сознательно автор отка-
зался от изложения некоторых частностей, которые могли бы, может
быть, только запутать и утомить читателя. Зато некоторые вопросы из-
ложены более подробно, чем их обыкновенно принято излагать в учеб-
никах.
Автор этой книги не предполагает наличия у читателя предваритель-
ного знакомства с химией. Он рассчитывает разве только на некоторый
интерес к химии и в некоторых местах на готовность читателя к совмест-
ной с автором работе, несколько выходящей за пределы простого чтения.
В первую очередь имеется в виду тот читатель, который, будучи не вполне
компетентным в области химии, желает ориентироваться в проблемах и
успехах химии или который хочет освежить и расширить свои часто не-
значительные и содержащие пробелы скромные познания. Однако и более
просвещенный в вопросах химии читатель, несомненно, найдет для себя
то в одной, то в другой главе книги кое-что новое и сумеет почерп-
нуть из ее содержания что-либо интересное, конечно, в том случае, если
ему может доставить удовлетворение освещение уже известных ему ве-
щей с несколько новых точек зрения.
Зигмар Шпаусус
Иена. Ноябрь 1955 г.
5
БЕСЕДА В ВАГОНЕ ПОЕЗДА
Всего несколько минут тому назад берлинский курьерский поезд ото-
шел от вокзала Вейсенфельз и в данную минуту мчится по направлению
к Мерзебургу. Подобно громадной змее извивается ряд вагонов, следуя
в ночное время по освещенным тусклым светом рельсам. Бурный ветер ме-
тет по ровной долине и далеко относит пар локомотива в сторону. Начи-
нающийся мелкий дождь усилился так, что на стеклах окон образуются
мелкие ручейки, которые стекают вниз.
Сидя в отдельных купе, пассажиры мало замечают из того, что тво-
рится снаружи. Лишь заглушенный шум колес доносится и сюда. Отки-
нувшись на спинки диванов, пассажиры дремлют или смотрят, как и я,
скучая, в окна на ночную тьму. Многого здесь не увидишь. То и дело
светлые четырехугольники окон осветят темноту, и освещенный переход
через полотно промелькнет мимо поезда, прежде чем он действительно
сможет быть замечен. Затем вагоны вдруг пронесутся мимо стрелок, про-
едут вдоль перрона небольшой станции и снова помчатся вдаль по пря-
мому пути.
Скоро снова показывается желтый свет фонаря, однако прежде чем
он исчезнет в темноте, выплывают новые фонари, которые становятся все
более и более многочисленными и позволяют различать контуры боль-
ших помещений и зданий. Что это? Станция? Нет, это не может быть
станцией, так как трубы, трубопроводы, подобные громадным змеям,
белый пар, выбрасываемый из клапанов, громадные электрические ду-
говые фонари, многочисленные железнодорожные пути, краны и ярко
освещенные залы являют собой картину колоссального промышленного
предприятия; они внезапно выплывают и исчезают столь же быстро, как и
появились. В течение нескольких минут мы проезжаем мимо непрерывно
тянущихся заводских установок, и нас захватывают все эти многочислен-
ные впечатления. Затем снова окружающее пространство становится все
темнее и темнее, и снова нас окружает темнота ночи. Я откидываюсь
7
назад и вижу, как мой спутник, сидящий напротив меня, все еще глядит
в окно.
«Завод Лейна имени Вальтера Ульбрихта,— отвечаю я на его мол-
чаливый вопрос.— Со своими 30 000 рабочих этот химический завод яв-
ляется нашим крупнейшим предприятием». Число 30 000, по-видимому,
производит на моего спутника сильное впечатление. «Так много людей,
и все они работают на химию?» —такова его первая реакция на мои
слова.— «Над чем же работают эти люди на столь колоссальном предприя-
тие. 1. Металлургический завод.
тии? При слове «химия» я всегда представлял себе духи, пластмассы,
медикаменты и удобрения, однако это мое представление, по-видимому,
неправильно».
«Разумеется, оно неправильно. Диапазон химии значительно больше.
Видите ли, химия — это наука о веществах и их превращениях. Там, где
мы встречаем вещества — а ведь мы их встречаем всюду,— мы имеем де-
ло с областями работы, интересующими химиков, причем совершенно не-
зависимо от того, будут ли эти вещества относиться к продуктам, которые
встречаются в природе, или к тем, которые получаются искусственно.
Оглянитесь: здесь в нашем купе, начиная от стекла оконных рам и ме-
таллических частей, вплоть до красок и лаков, украшающих наше купе,
мы неизменно встречаемся с веществами, которые по своему строению и по
8
своим свойствам должны были быть подвергнуты исследованию со
стороны химиков, а затем должны были быть изготовлены для нас на
заводах».
«Пожалуй, вы правы. С этой точки зрения мы, действительно, на каж-
дом шагу имеем дело с химией. Я лично никогда не был особенно увле-
чен этой наукой. В школе она была для меня пугалом, в особенности
вследствие неизбежных многочисленных формул, которые, по моему мне-
нию, только и созданы для того, чтобы отравить в человеке его интерес
к экспериментам. Теперь, когда, по-видимому, я стал рассуждать более
разумно и когда не все взгляды юности мне приходится считать пра-
вильными, у меня не хватает тех основ, которые бы позволили мне по-
стигнуть хотя бы наполовину химию и ее проблемы. А формулы... они
все же сохранились в моей памяти»,— добавил он со вздохом.
«Конечно, они еще сохранятся в вашей памяти, хотя с тех пор к ним
присоединились с течением времени дополнительно еще многие другие.
Формулы никогда не служат препятствием для понимания сути химиче-
ского мышления и химической работы. Ибо, во-первых, химические фор-
мулы и знаки вовсе не так уже трудны для понимания, а впоследствии
в весьма значительной степени они облегчают для химика его работу.
Возьмем для сравнения стенографию. Для непосвященного она является
книгой за семью печатями, для стенографистки же она — основа ее ра-
боты. Но, с другой стороны, для нас вовсе не является необходимостью
постоянно возиться с химическими формулами. Разумеется, химик вынуж-
ден это делать, что же касается остальных людей, неспециалистов, то мы
хотим только научиться понимать химию с ее задачами и проблемами,
но отнюдь не овладеть ею, и поэтому мы вполне можем обойтись и без
формул. Попробуем только освободиться от столь часто высказываемой
точки зрения, что химия состоит только из диких и непонятных формул,
что она представляет собой науку, при которой непрерывно происходят
взрывы и распространяется вонь, и что химик только и думает целые
дни о том, каким образом он мог бы одарить нас каким-нибудь более
или менее добротным суррогатом. Задача химии, наоборот, заключается
в том, чтобы исследовать все существующие вещества, их свойства, их
строение, их взаимозависимость, изучить закономерности, которым под-
чинены эти вещества, и затем получить новые вещества из тех, которые
уже имеются в наличии. Последнюю задачу химия себе ставит вовсе не
для того, чтобы заменить хорошие природные продукты плохими искус-
ственными, но для того, чтобы устранить узкие места или чтобы создать
такие продукты, которых в природе не существует и которые имеют цен-
ные свойства. Так случилось, чтобы привести хоть один пример, с очень
многими красителями. В настоящее время известны многие искусствен-
ные красители, которые лучше или дешевле, чем соответственные естест-
венные красители. Правда, уже очень давно был известен краситель ин-
диго или краситель из корней краппа, и их умели выделять из растений,
но они в течение долгого времени были привилегией немногих государств
и фермеров, которые подчас заставляли очень дорого оплачивать их моно*
9
польное право. Ныне благодаря исследованию каменноугольной смолы
оказалось возможным гораздо дешевле и независимо от климата получать
из нее не только красители, но и многие другие продукты, которые даже
и не встречаются в природе».
«Но мне хотелось бы уже сейчас спросить вас кое о чем. Вы говорили,
что красители получают из каменноугольной смолы. Что же, они содер-
жатся в этой смоле уже в готовом виде и задача состоит только в том, что-
бы их каким-либо способом из нее выделить? Я собственно не могу себе
представить, чтобы эго было именно так».
«Да это и на самом деле не обстоит так, хотя такую точку зрения ча-
сто высказывают и те, кто, как они говорят, никак не могут поверить,
что прекрасная синяя краска индиго содержится в черной клейкой камен-
ноугольной смоле. Дело скорее обстоит таким образом, что не сами краси-
тели содержатся в смоле, но лишь сырьевые исходные продукты, из кото-
рых уже могут быть изготовлены как эти красители, так и многие другие
вещества».
«Я уже говорил вам, что мои химические познания, сохранившиеся
у меня из школы, не являются очень обширными. Поэтому мне не со-
всем понятно то, что вы только что сказали. В смоле, значит, содержатся,
хотя и не сами желательные для нас конечные продукты, однако такие ве-
щества, которые могут быть превращены в эти продукты?»
«Да, приблизительно так. Большинство веществ представляют собой
соединения, являются сложными веществами и притом они состоят из эле-
ментов, а эти последние в свою очередь построены из атомов. Эти соеди-
нения возможно разложить и превратить в другие соединения. Однако
это удается сделать, разделив эти соединения лишь до образования опре-
деленных атомных групп. Путем разложения одного вещества и соеди-
нения его отдельных составных частей по другому образцу можно полу-
чить другие вещества, которые уже являются необходимыми для нас.
Чтобы это было яснее, я приведу пример. Как мы знаем, последними еди-
ницами какого-нибудь слова являются буквы. Таких букв имеется 24.
Эти буквы могут быть в различном порядке и в различном сочетании со-
единены друг с другом. Я могу из них составить слово «алм», или обозна-
чение почтового района, или слово «бой», или слово «час». Всякий раз
при соединении друг с другом отдельных букв создается нечто большее,
чем их простая сумма, создается новое понятие. Мы можем также сказать,
что при этом происходит переход количества в качество. Так же обстоит
дело и в химии. В каменноугольной смоле содержатся соединения, кото-
рые могут быть превращены и соединены друг с другом с образованием
желательных продуктов».
«Я хорошо понимаю приводимый вами пример, но у меня только что
возникло следующее недоумение. Вы говорили о том, что отдельные буквы
складываются и что таким образом получаются слова. Но ведь не всегда
же так бывает. Я могу соединить буквы рфтмн или втрпсн и при этом
я не получу слова, имеющего какой-нибудь смысл. Да и вообще, уместно
ли в этих случаях применять термин «слово»?/>
10
«Прекрасно. Вы расширяете приведенный мной пример превосходней-
шим образом. Мы, следовательно, можем установить, что не каждое со-
четание букв приводит к образованию осмысленного понятия и что неко-
торые их сочетания должны быть признаны, с точки зрения образования
слов, невозможными. Совершенно так же обстоит дело и в химии. Я не
могу сочетать друг с другом соединения или элементы в произвольной
последовательности. Всякое химическое событие — соединение или разло-
жение— подчинено определенным законам совершенно так же, как и об-
разование слов. Последовательное записывание двух букв О или пяти
букв С является бессмысленной и бесплодной задачей».
«Теперь это стало для меня ясным. Значит, элементы и простые со-
единения сочетаются по определенным законам с образованием более
сложных соединений, которые могут быть совершенно различными по
своим свойствам. Однако меня крайне волнует еще один вопрос. Хотя,
может быть, мы сначала с вами закурим? При этом наш разговор пойдет,
вероятно, еще легче».
«Я должен вам признаться,— начинает мой спутник после краткой
паузы,— что самое слово «химия» вызывает во мне всегда представление
о чем-то таинственном. Вероятно, потому, что для этого слова на моем
родном языке не существует подходящего слова, которое бы мне что-либо
подсказало о сущности этой науки. Для других наук дело обстоит значи-
тельно проще. Возьмем к примеру слово «география»,которая на моем род-
ном языке обозначает описание земли, «минералогия» — науку о мине-
ралах, «зоология» — науку о животных и т. д. В этих случаях уже один
перевод иностранного термина на родной язык подсказывает многое от-
носительно содержания соответствующей науки. А химия? Вы, правда,
говорили ранее, что химия представляет собой науку о веществах и их
превращениях; это определение тоже является кратким и однозначным,
но оно ведь не является переводом самого слова «химия»?»
«Совершенно верно. Данное выше определение, правда, относится
к существу понятия химии, но оно не имеет никакого отношения к слову
«химия». Но в этом отношении я перед вами нахожусь в неприятном по-
ложении. Хотя я уже давно занимаюсь химией, я не в состоянии дать вам
точного перевода или хотя бы точного истолкования происхождения сло-
ва «химия». И то же самое вам скажет и любой другой химик. Подобно
тому как начало происхождения химии восходит до неведомых времен и
является для нас неизвестным, так и происхождение слова «химия» яв-
ляется для нас совершенно темным».
«Однако должны же существовать какие-нибудь определения, объяс-
няющие происхождение этого слова?»
«Разумеется, не было недостатка в стараниях заполнить этот пробел,
однако чего-либо достоверного так и не удалось установить в этом отно-
шении. Наиболее вероятным является и поэтому часто приводится сле-
дующее объяснение. Когда арабы унаследовали сведения, доставшиеся
им от египетских жрецов, они переняли также и их химическую тайную
науку. «Хеми» — на коптском языке означает «черный», «чернокниж-
11
ный», «тайный». Это слово для окружавших народов, населявших пусты-
ню, совпадало с обозначением самого Египта, ибо черная, плодородная
земля долины Нила сильно отличалась от желтой почвы пустыни. Таким
образом, химия стала для арабов наукой черной земли. Арабы снабдили это
слово еще своей арабской приставкой «ал», и так образовалось слово
алхимия, которое мы встречаем еще на протяжении средних веков и ко-
торое затем перешло в слово «химия». Однако, может быть, представление
о чем-то «черном» относилось не только к цвету почвы, но также и к самому
зерну этой науки — темному и таинственному в те времена.
Как уже было сказано, это толкование является наиболее вероятным.
По мнению других, слово «химия» следует производить от греческого гла-
гола «хео» — выливаю. Это представление указывает на металлургию, ко-
торая была одной из первых по времени отраслей химии. Может быть,
в этом слове находит свое отражение еврейское слово «хам», однако мы не
будем слишком углубляться в эти филологические изыскания. Одно не
подлежит сомнению: из слова «химия» мы, может быть, и сумеем почерп-
нуть некоторые сведения о месте происхождения и о возникновении этой
науки, но никогда не получим представления о том, что, собственно го-
воря, из себя представляет химия, чем она занимается.
Однако раз мы уже начали беседовать о химии и о ее задачах, то,
может быть, для нас будет весьма полезно установить взаимозависимость
химии с другими отраслями естествознания и определить между ними и
химией пограничные черты и переходы.
Химия представляет собой науку о веществах и их превращениях.
Особенно следует в этом плане остановиться на выяснении слова «вещест-
во», которое мы применили в нашем определении сущности химии, ибо
«превращения» являются лишь средством для получения разных веществ.
Но если я начну исследовать энергетические условия какого-нибудь хими-
ческого процесса, если я займусь изучением тех сил, которые проявляют
свое действие между телами природы, то я уже попаду в область физики».
«Не приведете ли вы пример, который пояснил бы сказанное вами?»
«Охотно. Представьте себе кусок железа, например железный гвоздь.
Химия ставит перед собой задачу установить свойства вещества, из кото-
рого состоит этот кусочек железа, и ее особенно живо занимает вопрос,
что случится, если железо придет во взаимодействие с другими вещест-
вами. Если я внесу этот гвоздь в соляную кислоту, то оба вещества — же-
лезо и кислота — будут взаимодействовать друг с другом. При этом бу-
дет выделяться бесцветный газ, и компактный кусок железа исчезнет:
он перейдет в раствор. Если я путем нагревания выпарю образовавшую-
ся жидкость, то в сосуде останется бурое вещество, которое будет прояв-
лять совершенно новые свойства, ничего общего не имеющие со свойст-
вами первоначального железа. Я сознательно упомянул о выпаривании
жидкости, ибо и соляная кислота теряет при реакции взаимодей-
ствия с железом свои типические кислотные свойства. Или же приведем
другой пример и подумаем о хорошо знакомом всем и весьма нежелатель-
ном ржавлении железа. При этом на железо оказывают действие воздух
12
(точнее — кислород воздуха) и вода, а продуктом реакции является ржав-
чина, новое вещество, не имеющее никакого сходства с первоначальным
железом. Все перечисленные случаи относятся к явлениям, связанным с
изменениями самого вещества, и, следовательно, принадлежат к области
химических процессов».
«Позвольте мне продолжить ваше объяснение,— перебил меня мой
собеседник.— Если, наоборот, я буду действовать на железо силами, ко-
торые изменят его форму, или намагнитят его, если я буду исследовать
его вес, который является результатом действия на него силы тяжести,
Рис. 2. Химическое превращение железа.
Хлористое
железо
если я подведу к нему тепло, так что оно из твердого состояния перейдет
в жидкое и даже газообразное состояние, то все эти исследования будут
относиться к области физики, ибо во всех этих случаях вещество желе-
за не будет претерпевать изменений?»
«Совершенно верно. Однако один вывод напрашивается уже и теперь:
резкого разграничения между химией и физикой установить не удается.
Так, например, при каждой химической реакции наступают изменения
количества энергии, даже в случае ржавления железа, при котором хотя
и незаметно, но все же выделяется теплота. С другой стороны, нередко
действие какой-нибудь силы на какое-нибудь тело сопровождается изме-
нением свойства самого вещества, из которого это тело состоит. Между
химией и физикой существует так много подобных точек соприкоснове-
ния, что это обстоятельство нашло свое отражение в образовании особой
научной дисциплины. Эту промежуточную дисциплину химики называют
физической химией, а некоторые физики предпочитают говорить о хими-
ческой физике. Физическая химия имеет предметом своего изучения глав-
ным образом изменения энергии при химических реакциях и посвящает
свои усилия также изучению структуры вещества, хотя эти задачи пред-
ставляют лишь главнейшие области, разрабатываемые этой дисциплиной».
13
«Вероятно, и между другими науками и химией также существуют
подобные же взаимоотношения, хотя они, может быть, и не выражены так
четко, как это было видно на приведенном вами примере химии и физики?»
«Несомненно! Между биологией и химией дело обстоит совершенно так
же. Не подлежит никакому сомнению, что, во-первых, каждый живой
организм состоит из веществ и, во-вторых, что каждый жизненный процесс
связан с превращением веществ. И в этом случае имеются переходные дис-
циплины, например биохимия и физиологическая химия. Сельское хозяй-
ство и химия связаны друг с другом наукой агрохимией, геология и химия
геохимией и т. п.»,
«Но в чем же заключается различие между органической химией и не-
органической химией?»
«По мере того, как расширялись химические знания, сделалось необ-
ходимым и внутри самой химии провести пограничную черту между от-
дельными областями ее работы. Ныне уже ни один химик не может хотя
бы приблизительно овладеть всем содержанием химии.
В первую очередь мы различаем три большие отрасли химической нау-
ки: неорганическую, органическую и физическую химию. Названия
неорганическая и органическая химии сложились исторически. До
1827 года все вещества разделяли на такие, происхождение которых при-
писывалось живым организмам, и на такие, которые встречаются в неор-
ганической природе. Изучение первых оставалось прерогативой органи-
ческой химии, а изучение вторых составляло задачу неорганической хи-
мии. Даже после того как Фридриху Вёлеру удалось в 1827 году полу-
чить из неорганического вещества — цианата аммония — без всякого
участия «жизненной силы» какого-нибудь организма органическое веще-
ство — мочевину и тем самым устранить существовавшую до того резкую
границу, разделявшую органические вещества от неорганических, разде-
ление и обозначения обеих частей химии все же сохранились, хотя в на-
стоящее время мы под этими терминами понимаем нечто совершенно иное.
Гораздо целесообразнее обозначать органическую химию, как химию
соединений углерода, ибо все так называемые «органические» вещества
содержат элемент углерод. Такое подразделение на первый взгляд может
показаться слишком произвольным. Однако это не так. Органическая
химия в некоторых пределах подчинена своим собственным законам, так
что вполне целесообразно и оправдано будет проведение различия между
соединениями углерода и соединениями, не содержащими углерод.
Помимо этого, химию подразделяют еще и на более узкие специальные
области. Так, мы можем, между прочим, назвать фотохимию, химию ком-
плексных соединений, электрохимию, термохимию, коллоидную химию,
кристаллохимию, химию красителей и многие другие.
По другому принципу химию подразделяют еще на общую, или тео-
ретическую, химию и на прикладную, или техническую, химию. В общей
химии главное внимание обращено на изучение закономерностей незави-
симо от их практического применения. Наоборот, прикладная химия
имеет своей задачей использование химических реакций или результатов
14
исследований для практических целей и разработку способов внедрения
их в практику».
«Но какая же область имеет большее значение — общая химия или
прикладная химия?»
«Я отвечу вопросом на вопрос. Что является более важным для желез-
нодорожника, рельсы или локомотив? Вы ответите: и то и другое одина-
ково важно, одно без другого не имеет цены, и то и другое восполняет друг
друга и должно рассматриваться только во взаимодействии друг с другом.
В то время как работы в области прикладной химии служат для непосред-
ственного удовлетворения потребностей человека, теоретическая химия
создает, часто в тщательной и усердной работе по изучению тонкостей хи-
мического процесса, необходимые предпосылки для успеха прикладной
химии. Каждая разрешенная задача может когда-нибудь впоследствии
послужить существенным подспорьем для успеха какого-нибудь техни-
ческого процесса. Примеров этому имеется достаточное количество. Чрез-
вычайно важный в настоящее время синтез аммиака основан на выводах
чисто теоретических исследований относительно равновесия между азо-
том, водородом и аммиаком. Когда 25 лет тому назад было положено на-
чало исследований по вопросам атомной физики, эти исследования были
предприняты по чисто теоретическим соображениям, и никто в то время
и не думал о том, чтобы применить эти исследования к использованию
атомной энергии для приведения в движение машин. С другой стороны,
из этого вовсе не следует, что необходимо исключительно поддерживать
те исследования, которые совершенно не связаны с действительностью.
Разумный синтез теории и практики и здесь окажется, как и всегда, наи-
лучшим направлением науки».
Мы совершенно не заметили, что движение нашего поезда становилось
все медленнее и медленнее, и что поезд подъезжал к перрону станции.
«Галле — главный вокзал! — раздался голос громкоговорителя. — Сле-
дующий поезд на Лейпциг отходит в...»
Я быстро поднимаюсь и схватываю мой багаж. «Я уже приехал. Жаль,
что мы не можем продолжить нашу беседу! Итак, до свидания. Желаю вам
счастливого пути!»
Мой попутчик протягивает мне руку: «Большое вам спасибо. До Бер-
лина у меня будет достаточно времени, чтобы усвоить все, что я услышал.
Однако вы были правы. Химия вовсе не является столь трудной и непо-
нятной».
СНАЧАЛА БЫЛО ВЕЩЕСТВО
Вспомним еще раз о том, что мы говорили о химии:
Мы говорили, что химия есть наука о веществах и их превращениях.
Таким образом, нам придется в первую очередь иметь дело с понятием «ве-
щество» или «материя».
Для тети Фриды не составляет затруднения сказать, что именно она
себе представляет, произнося слово «материя». Для нее существует много
15
разных материй: шелк, бархат, перлон или полотно. Также и дядя Отто
имеет вполне определенное представление о материи, когда он вечером
охотно отправляется за «материей» в пивную «Золотой Якорь». Для не-
го также не возникает при этом никаких проблем, разве только в том слу-
чае, когда у него не совсем благоприятно обстоит дело с мелкими день-
гами, или когда ему на этот вечер не удается получить ключа от квар-
тиры.
Обратимся, наконец, к поэту и спросим его, что он понимает под сло-
вом «материя» или «материал». Он ответит вам, что «материя» или «мате-
риал» является предпосылкой его творчества, что ее можно сравнить как
бы с воском, из которого поэт лепит лирические и эпические произведения
искусства.
Три человека — и три разных воззрения. Однако нам придется ре-
шить * что приведенные выше определения являются слишком узкими.
Задача химии в конце концов не может состоять исключительно в том, что-
бы заниматься тканями или пивом, хотя и химику нередко приходится
иметь дело с алкоголем. Что же касается поэзии, то с ней химия имеет
еще менее точек соприкосновения. Таким образом, понятие о материи, о
веществе должно быть охвачено шире. Часто мы говорим о горючих вещест-
вах, о топливных веществах, о синтетических веществах и при этом легко
забываем, что в этих случаях мы имеем в виду лишь незначительную часть
из громадного царства веществ вообще. Вещественным или материальным
является все, что нас окружает, что мы можем воспринимать нашими ор-
ганами чувств. Теперь уже мы сумеем легко назвать и другие виды веще-
ства. Наши волосы, лист почтовой бумаги, цветок розы и стеклянная ваза,
в которую этот цветок поставлен, табачный дым и городской светильный
газ — все это состоит из вещества. Мы могли бы продолжать наше пере-
числение и вряд ли дошли бы до конца, ибо химии известны в настоящее
время более полумиллиона разных веществ,и новые вещества ежедневно
обнаруживаются в природе или вырабатываются в реторте химика.
Полмиллиона разных веществ! Если бы задача химика заключалась
в том, чтобы изучить это колоссальное число веществ и их превращений,
то такая задача показалась бы нам безнадежной. И таким делом должны
теперь заняться мы, которые, может быть, из всей химии знакомы только
с ее названием! Но ничего, не так-то уже страшно обстоит дело. Во-первых,
нас не должно слишком беспокоить большое число этих веществ, ибо вов-
се нет надобности в знакомстве со всеми этими веществами. Мы не найдем
и такого химика, который бы видал все эти вещества. Для этого химия на
протяжении ее развития слишком выросла и поэтому требует значитель-
ной специализации и подразделения на отдельные специальные области.
Во-вторых, здесь дело обстоит так же, как и во всякой другой науке.
Ей известно множество отдельных фактов, которые, однако, не являются
бессвязными и беспорядочными, но разумно упорядочены и систематиче-
ски сопоставлены друг с другом. Кроме того, эти многочисленные веще-
ства с их разнообразными свойствами и возможностями превращения под-
чинены незначительному числу законов, знание которых освобождает нас
16
от необходимости специального механического заучивания наизусть све-
дений о них и позволяет нам понимать химию. Овладев этими общими
закономерностями, мы легко сумеем после этого познакомиться с теми или
другими специальными областями.
Однако продолжим наши рассуждения относительно веществ и попы-
таемся внести немного порядка в их множество. Распределим прежде всего
все вещества на органические и неорганические. Мы уже знаем, что под
органическими соединениями следует иметь в виду такие, которые содер-
жат углерод, причем, однако, для угольной кислоты и ее солей мы должны
сделать исключение и относить ее, как и все другие соединения, к неор-
ганической химии. Из двух названных групп веществ органические со-
единения являются во много раз более многочисленными. Неорганические
вещества мы можем далее распределить на сложные вещества, или со-
единения, и на простые вещества, основные вещества, или элементы.
Наоборот, органические вещества всегда являются соединениями. Наря-
ду с соединениями и элементами существуют еще и смеси, к которым, на-
пример, можно отнести воздух. Наконец, и элементы подлежат еще даль-
нейшему подразделению, а именно на металлы (например, железо, алю-
миний, свинец) и неметаллы, среди которых наиболее известными яв-
ляются сера, углерод, кислород и фосфор. Приведем ниже небольшую
схему, которая еще яснее представит нам это подразделение:
вещества
I
неорганические вещества органические вещества
111 X
соединения смеси элементы соединения смеси
металлы неметаллы
Является ли это подразделение единственно разумным, или же воз-
можны и существуют и другие подразделения веществ? Например, можно
было бы попытаться расположить вещества по их назначению. Бензин,
дрова, нефть в этом случае составляли бы группу топлив. Другими груп-
пами могли бы быть пищевые вещества, красящие вещества, лекарствен-
ные вещества или вкусовые вещества. Такое распределение можно про-
вести без труда. Возникает только вопрос, целесообразно ли будет оно
для химика и будет ли оно однозначно.На этот вопрос придется ответить
отрицательно. Действительно, существует много веществ, которые могут
быть применены для различных целей и которые поэтому могут появиться
в нескольких из перечисленных групп. Для примера возьмем спирт, ко-
торый можно признать за вкусовое вещество, за растворитель, за горючее
вещество и очистительное вещество, а в некоторых случаях и за питатель-
ное вещество.
17
2 3. Шпаусус
Поэтому подразделение веществ с указанной точки зрения не пред-
ставляется разумным. Тоже самое можно сказать и относительно намере-
ния распределить вещества на три группы по их агрегатному состоя-
нию — твердому, жидкому и газообразному, как бы соблазнительно
ни казалось такое намерение на первый взгляд. Светильный газ и воздух
пошли бы по этому принципу в категорию газов; железо, сахар и сера —
в категорию твердых веществ, а к числу жидких веществ мы могли бы от-
нести эфир, бензин, ртуть и воду. Однако здесь нам уже придется заду-
маться. Ведь вода не всегда бывает жидкой, мы знаем также и твер-
дую воду — лед. Она может находиться и в газообразном, уже невидимом
для нас состоянии в виде пара.
Итак, мы видим, что агрегатные состояния не могут послужить осно-
вой для распределения веществ по категориям, в особенности в тех слу-
чаях, когда мы не будем учитывать внешние условия вроде давления и
температуры. Придется нам остаться при первой из рассмотренных нами
схем.
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕМЕНТЫ?
Маленький мальчик у соседей получил к Новому году в подарок ме-
таллический «конструктор». Целый день он играет с этим «конструктором»,
состоящим из большого числа различных деталей: винтов, кружков,
угольников, зубчатых колес и т. п., из которых он конструирует маши-
ны, велосипеды и краны. Когда ему надоедает какая-нибудь модель, то
ему приходится затрачивать много труда, чтобы ее снова разобрать. Ко-
нечно, ему удается разобрать модель только до отдельных деталей — ко-
лес, длинных полосок и пластинок.
Дальнейшее разъединение за пределы этих отдельных деталей ста-
новится для него уже невозможным и было бы также и бесцельным. При
помощи ножниц для резки металла или острых щипцов, конечно, воз-
можно было бы разрезать также и эти детали на более мелкие куски, но
тем самым весь комплект «конструктора» был бы нарушен, ибо получен-
ные при этом малые куски уже невозможно было бы снова использовать
в качестве строительных частей.
Таким образом, отдельные детали ящика с «конструктором» образуют
как бы «строительные кирпичики», из которых можно составить различные
модели. С другой стороны, эти детали представляют собой также и тот
предел, до которого разборка модели является разумной и целесообраз-
ной. Число деталей остается при нормальных условиях всегда одним и
тем же, но формы предметов, сконструированных из этих деталей, могут
изменяться.
Применим наш пример к веществам. И в этом случае мы имеем дело
с такими «строительными кирпичиками» или элементами, из которых по-
строено все разнообразие материального мира. Выбрав себе какое-нибудь
вещество, я могу расщепить его при помощи химического воздействия на
18
более простые составные части, что иногда удается сделать легко, а иног-
да довольно трудно. Эти части могут быть разложены и далее на более
простые части, но в конце концов в этих операциях я подойду к пределу;
я дойду до веществ, которые уже нельзя будет химическим путем рас-
щепить на еще менее сложные части. Они, следовательно, будут предста-
влять собой основные вещества, элементы, на которые данное вещество
может быть разложено и из которых, с другой стороны, снова может быть
построено сложное вещество.
Мы обозначаем словом элемент такие вещества, которые уже не
могут быть путем химических воздействий разложены на более простые
составные части. Здесь следует подчеркнуть слова «путем химического
воздействия». Физическим путем дальнейшее разделение элементов оказы-
вается возможным. Однако для этого недостаточно действия тех сил, ко-
торые применяются при проведении химических реакций. Вместе с тем
такое расщепление элемента означало бы и разрушение вещества.
В противоположность непрерывно увеличивающемуся числу хими-
ческих соединений число элементов сравнительно невелико. До самого
последнего времени число известных элементов было равно 92, а в на-
стоящее время, по данным новейших атомно-физических исследований,
это число увеличилось до 102. Это число еще не является окончательным,
однако не подлежит сомнению, что оно уже не обещает увеличиться в
сколько-нибудь значительной степени. Чем тяжелее элемент,тем он обык-
новенно и менее устойчив и менее долговечен. Из новооткрытых транс-
урановых элементов некоторые имеют очень короткую продолжительность
жизни.
Большинство элементов представляют собой металлы. В то время как
металлы, за исключением ртути, являются твердыми телами, неметаллы
при нормальной температуре встречаются в твердом, жидком и газообраз-
ном агрегатном состоянии х.
И без того незначительное число элементов сократится еще в значи-
тельной степени, если мы будем иметь в виду только те элементы, кото-
рые в природе играют по их количественному содержанию более или ме-
нее существенную роль. Из их числа мы можем назвать двенадцать эле-
ментов, которые уже одни составляют 99,5% веса всей земной коры и
окружающей ее атмосферы.
На первом месте стоит кислород, малознакомый для многих непосвя-
щенных, невидимый для нас элемент, присутствующий в земной коре
и в атмосфере в количестве 49,4%. Ему принадлежит львиная доля массы
всех элементов земной коры. Это станет вполне понятным, если мы учтем,
что не только в среднем 20% атмосферы состоит из кислорода, но что он,
будучи соединен с водородом, покрывает в виде воды 71 % поверхности
1 При обычных условиях все неметаллы — твердые или газообразные вещества. Лишь
один бром представляет исключение, что дало повод Баляру, открывшему бром, заявить:
«Точь-в-точь как ртуть есть единственный металл, который имеет жидкую фазу при
комнатной температуре, бром есть единственный жидкий неметалл». (Ред.)
2*
19
земного шара, а в составе воды содержится в количестве около 90% по
весу. Наконец, кислород содержится в химически связанном виде почти
во всех минералах.
Второе место занимает встречающийся в природе только в виде сое-
динений в количестве 25,7% всей массы земной коры кремний. Затем сле-
дуют на далеком расстоянии алюминий в количестве 7,5 %, железо —4,7%,
кальций — 3,4%, натрий — 2,6%, калий — 2,4%, магний— 1,9%.
Доля участия остальных элементов в составе земной коры не превышает
1%. Просуммировав процентное содержание первых 36 основных ве-
ществ, мы получим 99,99%. Долю участия в земной коре остальных.
65 элементов, вместе взятых, приходится оценивать только цифрой 0,01 %
Рис. 3. Относительное содержание хими-
ческих элементов по весу в земной коре.
от всего веса земной коры. Среди этих,
остальных элементов необходимо на-
звать такие важные элементы, как
олово, уран, йод, золото и висмут,
для которых мы могли бы ожидать
несколько большей доли их участия
в составе земной коры.
Как уже было сказано, эти циф-
ры относятся к известной нам лишь
до определенной глубины массе зем-
ной коры, которая представляет толь-
ко некоторую долю массы всего зем-
ного шара. Если бы мы могли при-
нять во внимание всю массу земного
шара, с точки зрения ее состава, и
расположить элементы в таблицу по
их количественному содержанию, с
точки зрения их участия в постро-
ении целого земного шара, то такая
таблица значительно отличалась бы
в отношении последовательности элементов, обозначенных в пер-
вой таблице. В этой таблице на первые места выдвинулись бы скорее
тяжелые металлы. В пользу такого заключения свидетельствуют мно-
гие основания. Если продавец всовывает мне в руку запечатанную пач-
ку папирос, то я рассчитываю во всяком случае, что вес ее будет приб-
лизительно равен пятидесяти граммам. Я могу этого ожидать, если в
пачке, как это в конце концов и полагается, будут находиться папиросы.
Но если я неожиданно с удивлением должен буду убедиться в том, что
пачка весит полкилограмма, то я вполне добросовестно смогу утверждать,
что в пачке заключается нечто иное, а не папиросы, и для этого мне нет
надобности вскрывать пачку. Может быть, в ней находится свинец или
какое-либо другое тяжелое вещество, но во всяком случае не те тлеющие
табачные стержни, которые я в ней надеялся найти.
Так дело обстоит и с нашим земным шаром. Путем измерения силы тя-
жести было установлено, что удельный вес (в настоящее время больше при-
20
меняется понятие «плотность») земного шара равен 5,6. Однако удельный
вес земной коры равен только 2,6, т.е. он даже меньше половины удель-
ного веса всего земного шара. На основании этого мы, несомненно, имеем
право сделать заключение о том, что внутренняя часть земного шара
должна быть значительно тяжелее, чем его кора, другими словами, что
в центре земного шара должны присутствовать преимущественно тяже-
лые элементы. К тому же выводу мы придем на основании изучения земле-
трясений и на основании исследований истории Земли. В настоящее
время мы себе представляем,
что Земля построена из отдель-
ных слоев, в которых преиму-
щественно присутствуют отдель-
ные элементы. Правда, эти слои
отграничиваются друг от друга
не так гладко и отчетливо, как,
например, слои луковицы, в ви-
де которой для простоты и
изображают земной шар. Самый
внутренний слой, т. е. ядро
Земли, состоит, по мнению гео-
физиков, главным образом из
никеля (лат. niccolum) и желе-
за (лат. ferrum), почему этому
ядру и присвоено название ни-
фе (Nife). В дальнейших слоях
затем содержатся все более и
более легкие элементы и соот-
ветствующие им соединения.
Рис. 4. Слоистое строение Земли.
Представление о том, что множество веществ можно свести к неко-
торым простым веществам, так же старо, как борьба человека за истол-
кование явлений природы.
За 600 лет до нашей эры в Милете жил философ по имени Фалес,
который понял, какую огромную роль играет вода как в мертвой, так
и в живой природе. Вода в виде морей, озер и рек покрывает большую
часть поверхности Земли, она поднимает корабли, двигает жернова мель-
ниц, прорывает плотины. В своих различных формах в виде жидкости,
льда и пара она служит человеку. Каждое животное, каждое растение
нуждается в воде. Человек может переносить голод дольше, чем жажду.
При отсутствии воды в течение продолжительного времени смерть чело-
века неизбежна. Плодородные пашни превращаются без воды в бесплод-
ные пустыни. Не удивительно поэтому, что Фалес видел в воде начало
всех элементов, первичный элемент, из которого образуются все вещества
и к которому они вновь возвращаются.
Другой философ Анаксимен видел этот первичный элемент в
окружающем все предметы воздухе, в то время как Гераклит счи-
тал огонь важнейшим первичным началом всех вещей.
21
Пять элементов, а именно: воду, огонь, дерево, золото и землю, на-
считывали уже за 600 лет до нашей эры китайцы, а индусы при-
знавали четыре элемента, к которым позднее был присоединен пятый,
а именно духовное начало. Взгляды индусов, вероятно, предшествовали
воззрениям греческого филосо-
фа Эмпедокла (490—430 гг.
до н. э.), который увеличивает
число элементов до четырех и
относит к ним воду, землю,
огонь и воздух. Аристотель
(384—322 гг. до н. э.) перени-
мает это число четыре, однако
согласно его учению мир со-
стоит из первичного вещества
(начала) и из четырех основных
свойств, а именно: теплоты, хо-
лода, сухости и влажности. Пер-
вичное вещество всегда связа-
но с двумя свойствами из этих
четырех, причем теплота и хо-
лод, а также сухость и влаж-
ность взаимно исключают друг
друга. Таким образом и воз-
никают четыре элемента по Ари-
стотелю:
огонь — первичное нача-
ло + (теплота и сухость)
вода — первичное начало +
+ (влажность и холод)
воздух — первичное нача-
ло + (теплота и влажность)
земля — первичное нача-
ло + (холод и сухость).
Рис. 5. Аристотель (384—322 гг. до и. э.). Это учение о четырех эле-
ментах было распространено в
течение продолжительного времени, и оно оказало очень сильное влияние
на химию древнего мира и средних веков. На Аристотеля ссылались
алхимики, когда они непрерывно старались отыскать «камень мудрецов»
и получить из неблагородных металлов золото. Они были убеждены, что
ввиду того что все элементы имеют общее начало и отличаются друг от
друга только неодинаковыми сочетаниями переменных свойств, достаточ-
но только заменить одни свойства другими, и удастся по желанию
изменить и самые вещества.
Если и сам Аристотель усматривал в эфире существование еще од-
ного дополнительного, духовного элемента, то алхимиков еще в меньшей
степени могли удовлетворять четыре элемента древности. У них появляют-
ся
ся дополнительные элементы — ртуть, серии соль. Однако они понимали
эти вещества не так, как на них смотрим мы в настоящее время: для
них эти элементы являлись лишь вещественными носителями свойств,
которые в веществах вместе со старыми аристотелевскими свойствами со-
держатся в переменных сочетаниях. В то время как ртуть имеет метал-
лический характер, соль олицетворяет солеобразные вещества, а сера —
горючее начало.
Только Юнгиуси Бойль
создали в середине XVIII века то
принимаемое и поныне понятие об
элементе, согласно которому эле-
менты представляют собой прос-
тые вещества, которые уже не мо-
гут быть химическим путем рас-
щеплены на еще более простые
вещества.
В особенности Роберт Бойль
проложил пути для дальнейшего
развития понятия об элементах.
Правда, Бойль еще не различал
понятие «элемент», от понятия
«простое вещество», ибо ему, как и
его современникам, не хватало для
этого экспериментальных возмож-
ностей. Лишь в следующем сто-
летии благодаря применению ве-
сов и возросшему опытному мате-
риалу стало возможным все более
и более четкое разграничение по-
нятий «элемент» и «соединение».
Этот путь привел в дальнейшее
время к открытию неизвестных
элементов, к установлению пери-
одической системы элементов, к
Рис. 6. Роберт Бойль (1627—1691).
получению трансурановых элементов, из которых некоторые даже и вовсе
не были обнаружены в природе. Таким образом была создана объемлю-
щая теория элементов, которая позволяет нам в настоящее время делать
заключения относительно свойств, устойчивости элементов и которая поз-
воляет увеличивать еще в большей степени их число.
ОБ АТОМАХ И МОЛЕКУЛАХ
При нашем рассмотрении материального мира мы подошли к эле-
ментам и обозначили этим термином наипростейшие неразложимые хи-
мическим путем вещества. Но уже возникает перед нами новый вопрос.
23
А возможно ли разложить дальше элементы каким-либо иным путем, и
если возможно, то в какой мере и с каким результатом?
Разумеется, при этом мы должны будем исключить химические про-
цессы, ибо таким путем элементы, как мы уже знаем, не поддаются даль-
нейшему разложению. Но логически механическое разделение элементов
должно бы быть, несомненно, осуществимым, ибо могу же я, например,
разделить гвоздь, состоящий из одного только элемента, на более мелкие
куски. Если я буду продолжать этот процесс деления в течение достаточно
долгого времени, то эти кусочки сделаются, наконец, столь малыми, что
я их уже не смогу больше захватить пальцами, и даже острота моего
зрения окажется уже недостаточной, чтобы различить их. Путем приме-
нения оптических инструментов, как например лупы, ультрамикроскопа
и, наконец, электронного микроскопа, а равно с помощью пинцетов и
других разделительных приборов эти маленькие частицы можно было
бы разделять еще дальше, однако в конце концов при этом мы дошли
бы совершенно несомненно до границы, поставленной несовершенством
человеческого умения и несовершенством приборов.
Мысленно мы могли бы продолжить этот процесс разделения, но в
конце концов нам необходимо ответить себе на решительный вопрос: до-
коле такое разделение окажется возможным? Можно ли снова разделить
пополам кусочек железа, который за это время стал уже ничтожно ма-
лым, или мы придем, наконец, к пределу, в котором самое понятие «еще
более мелкий кусочек железа» потеряет свой смысл? Если мы к решению
этого вопроса подойдем без учета современных научных достижений, то,
по-видимому, на этот вопрос мы не сумеем ответить ни положительно,
ни отрицательно. Дело в том, что если мы решимся сделать предположе-
ние, что такое разделение все еще является возможным (по крайней мере
мысленно), то ведь при этом наш кусочек железа сделался бы бесконеч-
но малым, а вместе с понятием «бесконечно малый» выплывают новые за-
труднения. Если мы в наших рассуждениях дойдем до этого вывода, то
для нас начинает становиться более наглядной другая точка зрения: ко-
гда-нибудь мы подойдем к последнему кусочку железа, который уже бо-
лее невозможно разделить, ибо при дальнейшем его разделении образо-
вавшиеся кусочки уже нельзя будет назвать железом. Во всяком случае,
и это снова огорчает нас, высказанное предположение невозможно будет
таким путем доказать.
Предположение о том, что где-нибудь существует предел делимости,
не является для нас, кроме того, непосредственно понятным. Где же долж-
на быть эта граница, почему у этой границы становится невозможным
дальнейшее дробление железа? Ведь какой-нибудь предмет, как бы мал
он ни был, согласно нашим представлениям возможно без конца делить
пополам.
Такие же сомнения, вероятно, испытывали ионийские натурфилосо-
фы, когда они размышляли на эту тему. Что разделение вещества возмож-
но и происходит, в этом они могли убедиться из ежедневного опыта. Так,
они могли наблюдать, что золотые кольца при постоянном их употребле-
24
нии становятся все тоньше и тоньше, что капли воды, непрерывно падая*
на одно и то же место, долбили камень. Несомненно, при этих процессах
должны были все время стираться мельчайшие частицы, которые уже были
неуловимы для органов чувств человека.
Ввиду того что им не было доступно понятие о бесконечности, они
пришли к предположению, что материальный мир построен из мельчай-
ших неделимых атомов (греч. «ато-
мос»—неделимый). По крайней ме-
ре мы знаем, что Лейкипп и Де-
мок р и т были основоположниками
и главными защитниками этого уче-
ния. По их представлениям атомы
являются неизменными, неделимыми,
различными (в зависимости от того
или иного вещества) по величине и
по форме частицами, которые вслед-
ствие своей ничтожной величины не
могут быть обнаружены нашими ор-
ганами чувств.
Однако не только вещество, но
и огонь, а также душа состоит, как
они думали, из атомов, но только в
этих случаях атомы по своей лег-
кости и подвижности отличаются от
прочих атомов. Все атомы находятся
в состоянии непрерывного движения
и при своих столкновениях и обрат-
ных расхождениях вступают в про-
цессы образования вещества и его
превращения.
В этом учении мы, несомненно,
не можем не усмотреть материали-
стического зерна. Поэтому оно нахо-
дилось в противоречии с поздней-
шими христианскими воззрениями, рис. 7. Демокрит (460—370 гг до н. э.).
проповедовавшими планомерную, ру-
ководимую извне действительность. Поэтому вполне понятным является
то обстоятельство, что учение об атомах не встретило признания в течение-
позднейших столетий и что были сделаны попытки искоренить это уче-
ние огнем и мечом, т. е. путем сожжения излагавших это учение сочине-
ний и самих авторов этих сочинений. Таким путем, правда, был достиг-
нут лишь тот результат, что мы располагаем в настоящее время только
отрывками сочинений Лейкиппа и Демокрита и узнаем об их учении
главным образом из сочинений их противников, но таким образом никогда
не могло быть искоренено атомное учение или материалистическое миро-
воззрение.
25
Вплоть до начала XIX века атом был не больше, чем гипотезой, для
которой еще не существовало точного естественнонаучного обоснования.
Эта гипотеза выплывала то в одном, то в другом случае в представле-
ниях некоторых естествоиспытателей, но она не могла окончательно
утвердиться вследствие своего гипотетического характера, а также
вследствие своего материалистического зерна. Положение это изменилось
лишь в 1804 году, когда англичанину Джону Дальтону су-
ществование атомов оказалось прямо-таки необходимым для объяснения
результатов его экспериментов. Прав-
да, и теперь атом еще не удалось
увидеть и осязать, но его реальное
существование сделалось рабочей ги-
потезой. Признание существования
атомов становилось прямо-таки не-
обходимым требованием при жела-
нии объяснить некоторые явления,
хотя при этом и не удавалось одно-
значно доказать их фактическое су-
ществование. Но если во времена
Дальтона атомы еще оставались не
более чем гипотезой, то в течение
следующих десятилетий в пользу их
существования было накоплено так
много доказательств, что мы в настоя-
щее время уже без всякого сомнения
должны считать их реальностью.
Каким образом Дальтон подо-
шел к своему требованию призна-
ния существования атомов?
При его исследованиях, касав-
Рис. 8. Джон Дальтон (1766—1844). шихся соединительных весов разных
элементов, он сделал поразительное
открытие. Два или большее число элементов вступают во взаимодей-
ствие всегда в совершенно определенных неизменных весовых отноше-
ниях. Поясним это примером. Соединение серы с железом называется
сернистым железом. При взаимодействии обоих элементов, с образова-
нием сернистого железа, при котором после реакции не останется избыт-
ка ни того, ни другого из участвующих в реакции веществ, отношение
весов серы и железа, содержащихся в сернистом железе, будет равно 4
весовым частям серы к 7 весовым частям железа. Таким образом, во взаи-
модействие вступают 4 г серы с 7 г железа, или 8 кг серы с 14 кг железа,
или другие соответствующие количества обоих элементов в указанном
количественном отношении. Но всегда отношение 4 : 7 будет при этом
соблюдаться. Равным образом и при разложении соединения сернистого
железа на серу и железо будут появляться такие количества свободных
серы и железа, которые опять-таки будут относиться как 4 : 7.
26
Для иных соединений обнаружились другие количественные соот-
ношения, но всегда количества элементов, вступающих друг с другом без
остатка в соединение, выражались целыми и относительно небольшими
числами. Дальтон назвал этот вывод законом постоянных весовых отно-
шений. Как можно было объяснить эти экспериментальным путем най-
денные факты? Ввиду того что эти постоянные отношения были обна-
ружены во всех случаях, они ни в коем случае не могли быть случай-
ными: основой этих чисел, выражающих отношение количеств вступаю-
щих в реакцию веществ, должны были служить какие-нибудь реальные
факты.
По-видимому, заключил Дальтон, каждый элемент состоит из мель-
чайших одинаковых между собой частиц, а именно — из атомов. Эти ато-
мы характеризуются определенным весом, который для атомов одного и
того же элемента должен быть, разумеется, одинаковым и характерным
именно для данного элемента. Если один, два или несколько элементов
вступают во взаимодействие, то это осуществляется таким образом, что
всегда целые атомы соответствующих элементов взаимодействуют друг
с другом с образованием новой единицы — молекулы.
И если атом серы имеет атомный вес 32, а железо — атомный вес 56,
то при образовании сернистого железа каждый атом серы должен со-
единиться с атомом железа с образованием одной молекулы сернистого же-
леза, которая будет иметь вес 32 плюс 56, т. е. 88. Как можно видеть, се-
ра и железо содержатся в этой молекуле в количественном отношении
32: 56 или после сокращения 4 : 7. Мы, следовательно, приходим та-
ким образом к прежнему отношению. Ввиду того что соединение сер-
нистое железо состоит из одних только одинаковых между собой моле-
кул, это весовое отношение сохранится и для характеристики каждой
молекулы.
Благодаря предположению, что элементы состоят из атомов, а соеди-
нения из молекул, закон постоянных весовых отношений Дальтона по-
лучает очень простое и понятное объяснение. Атомы уже перестают быть
чисто умозрительными представлениями, возникшими на основании фи-
лософских спекулятивных рассуждений, но они становятся необходимым
вспомогательным средством для истолкования экспериментально найден-
ных закономерностей.
Таким образом, Дальтон уверенно ввел атомы в естествознание, и на
протяжении следующих десятилетий ученые начинают обращаться с ато-
мами, как с реальностью. Однако и здесь дело не обошлось без затрудне-
ний. Приблизительно в конце XIX века все же некоторые химики и физики
придерживались того мнения, что атомы хотя и могут и даже должны быть
привлечены к разъяснению многих явлений, но все же их существование
еще остается сомнительным. Бухерер считал, что атомистика необходима
в качестве основы при возведении постройки научной теории, но что после
возведения этой постройки атомистика снова должна непременно быть
разрушена. Такие точки зрения станут понятными, если мы будем иметь
в виду, что атомы были привлечены для объяснения некоторых явлений,
27
которые протекали «как бы» таким образом, если бы вещества действитель-
но состояли из атомов. Когда кто-нибудь отправляется купаться и выплы-
вает в море, но не возвращается назад, то я могу предполагать, что он при
этом утонул, однако свое предположение, как бы обоснованно оно ни было,
я не сумею представить как доказательство.
Вопрос о том, существуют ли атомы или нет, был окончательно решен
в течение последних десятилетий и решен в пользу атомного учения Даль-
тона. Успехи атомной физики окончательно рассеяли все сомнения, и в
эпоху, когда наука занимается вопросом об использовании атомной энер-
гии, уже, конечно, никто больше не сомневается в существовании атомов.
Однако и тем лицам, которые считают, что они могут верить лишь тому,
что увидят собственными глазами, можно сказать, что за последние годы
удалось осуществить при помощи электронного микроскопа непосредствен-
ное наблюдение молекул.
Таким образом, атом точно изучен лишь в течение последних десяти-
летий. Как же Дальтон мог говорить об «атомном весе»? Ему ведь ничего
не было известно о строении атомов, об их величине и об их фактическом
весе?
Ответ на этот вопрос весьма прост.
Когда в химии появилось понятие атомного веса, то под этим терми-
ном имелся в виду не абсолютный вес атомов, а только относительные
числа. Химики брали за основу водород, как самый легкий из элемен-
тов, и справедливо делали заключение, что и атомы этого элемента ока-
жутся самыми легкими. Вес каждого из атомов водорода они произвольно
приравнивали к единице, считая его равным 1. Атомный вес элемента ге-
лия, который тяжелее водорода в четыре раза,получил при этом значение
4, а относительно атома серы, который в 32 раза тяжелее атома водорода,
было показано, что его атомный вес равен 32. Таким образом, один атом
гелия в 4 раза тяжелее атома водорода, один атом серы в 32 раза тяже-
лее атома водорода. Ничего другого не должны были выражать все эти
числа атомных весов. И ныне еще, когда нам уже точно известны абсо-
лютные веса отдельных атомов, мы в химических рассуждениях оста-
лись при прежних определениях, ибо, во-первых, они полностью и це-
ликом выполняют свое назначение, а, во-вторых, абсолютные веса ато-
мов представляют собой чрезвычайно малые числа, с которыми очень
трудно иметь дело.
Атомные веса отдельных элементов известны в настоящее время с ве-
личайшей точностью, и они помечены в списке элементов. Число знача-
щих цифр после запятой показывает, до какой степени могла быть до-
ведена эта точность.
Первоначально такой основной единицей считался один атом во-
дорода, атомный вес которого был принят за 1. При этом атомный вес
кислорода пришлось исчислить равным 15,875. По соображениям целесо-
образности, в настоящее время в качестве основного элемента, служаще-
го для сравнения с ним остальных элементов, считается более удобным
избрать атом кислорода и произвольно принять его атомный вес равным
28
точно 16,000. Неизбежным следствием этого окажется то, что атомный
вес водорода сделается равным не 1, а 1,008. Для наших рассуждений,
как и вообще для большинства других целей, это смещение относитель-
ного веса водорода не играет никакой роли, но мы все же должны были
уже на этой стадии нашего изложения упомянуть об этом, ибо во всех
таблицах атомный вес водорода определяется именно величиной 1,008.
Задержимся еще немного на изложении сведений об атомах для того,
чтобы, хотя бы в общих чертах, внести ясность в вопрос об их строении.
Для этой цели атомная физика снабдила нас столь обширным материалом,
что можно было бы заполнить этим материалом несколько увесистых то-
мов, однако для наших целей мы ограничимся лишь упоминанием о не-
многих основных фактах.
Атом не является, как это представляли себе древние философы, а
также и Дальтон, компактным шариком, но составлен из нескольких ча-
стей. Поэтому-то прежним свойством — неделимостью — атом, оказы-
вается, вовсе и не обладает. Однако ввиду того что с расщеплением ато-
ма исчезает и понятие об элементе, а, с другой стороны, химия именно
и интересуется только элементами и их соединениями, для нас все же
остается действительным прежнее определение атома, притом с тем боль-
шим основанием, что атом ведь не расщепляется при химических воздей-
ствиях на него.
Каковы же составные части атома и каково его строение?
Во-первых, в атоме имеется атомное ядро. В простейшем случае —у
атома водорода — это ядро состоит лишь из одной снабженной положи-
тельным зарядом частицы — протона. Так как атом обычно является
электрически нейтральным, то положительный заряд протона должен
уравновешиваться соответствующим отрицательным зарядом. Носите-
лем этого заряда является электрон, который, однако, уже не сосредо-
точен в атомном ядре, но вращается вокруг этого ядра по замкнутой ор-
бите. Этот электрон и образует атомную оболочку. Вся масса атома со-
средоточена почти исключительно в ядре, что же касается электрона, то
он почти не имеет массы и является поэтому лишь носителем заряда.
Противоположные заряды притягиваются друг к другу. Если бы эле-
ктрон находился в состоянии покоя, то положительно заряженный протон
и отрицательно заряженный электрон должны были бы под влиянием про-
тивоположных зарядов устремиться навстречу друг к другу и, наконец,
столкнуться. Но то обстоятельство, что этого не происходит, должно объяс-
няться существованием противоположной силы, которая имеет обратное
направление по отношению к силе их взаимного притяжения. Такой си-
лой является центробежная сила. Мы все знаем ее. Привязав камень к
веревке и приведя этот камень во вращательное движение, мы очень яв-
ственно почувствуем действие силы, которая стремится удалить от нас
камень и которая проявляет тем более сильное действие, чем быстрее
будет совершаться движение камня по окружности. Аналогично этому
обстоит дело и в модели атома. Здесь электрон вращается вокруг ядра с
невероятно большой скоростью 300 000 км в секунду. При этом возни-
29
кает направленная во внешнюю сторону центробежная сила, которая ком-
пенсируется противоположной силой притяжения, направленной внутрь.
Благодаря этому устанавливается состояние равновесия между притя-
жением и отталкиванием, которое и делает возможным вращение электро-
на вокруг ядра по определенной орбите.
В мировом пространстве мы наблюдаем подобные же взаимоотноше-
ния в планетной системе. Между Луной и Землей действует, во-первых,
сила притяжения, которая стремится приблизить оба небесных тела друг
к другу. С другой стороны, Луна вращается вокруг Земли, благодаря че-
му возникает центробежная сила, направленная во внешнюю сторону.
Ввиду того что обе силы равновелики и направлены в противоположные
Рис. 9. Соотношения в планетной системе,
аналогичные соотношениям в атоме.
Рис. 10. Схема строения
атома водорода.
стороны, Луна не падает на Землю и не отрывается от нее в сторону, но
вечно вращается вокруг Земли по одной и той же орбите.
Строение водородного атома мы теперь знаем. Вокруг положительно
заряженного ядра, состоящего из протона, вращается по определенной
орбите почти не имеющий никакой массы электрон, являющийся носи-
телем равновеликого отрицательного заряда.
Ввиду того что водород имеет атомный вес, равный 1 (точнее 1,008),
а весь атом состоит только из одного протона и одного почти не имею-
щего массы электрона, из этого следует, что протон также имеет «атомный
вес», равный 1.
Познакомимся еще с одним атомно-физическим понятием, а именно —
с порядковым числом. Это число указывает число протонов, содержащихся
в ядре. В то же время это же число соответствует для нейтрального атома
и числу электронов, содержащихся в электронной оболочке. Для водо-
рода порядковое число также равно 1.
Но как обстоит дело с атомами других элементов? Возьмем непосред-
ственно следующий за водородом элемент гелий. Как видно из таблицы
элементов, гелий имеет атомный вес 4 и порядковое число 2. Как следует
нам понимать такое положение вещей? Порядковое число 2 означает, что
ядро гелия состоит из двух протонов и что его электронная оболочка со-
держит два электрона. Это совершенно верно, но как же тогда мы долж-
30
ны объяснить вдвое больший атомный вес гелия? Ведь каждый протон
имеет «атомный вес», и атомный вес гелия должен был бы с этой точки зре-
ния быть 2x1, т. е. 2, ибо электроны почти совершенно не обус-
ловливают увеличения атомного веса. Таким образом, если ядро имеет
вдвое больший вес по сравнению с тем, который оно должно было бы
иметь на основании содержащихся в нем двух протонов, то в нем должны,
следовательно, содержаться еще и другие составные части, которых не
имеется в водородном атоме и которые поэтому и не были упомянуты при
рассмотрении водородного атома. В ядре гелия содержатся наряду с про-
тонами еще и нейтральные частицы масс — нейтроны, которые, подобно
протонам, тоже характеризуются весом 1, но которые не несут никакого
заряда. Позднее выяснилось, что эти нейтроны сами имеют сложную со-
ставную структуру и что они слагаются из одного протона и одного элек-
трона, чем и объясняется их вес, равный 1, и их электронейтральность.
Таким образом, ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтро-
нов, что и обусловливает атомный вес, равный 4. Оболочка атома, как
уже выше было принято, состоит из двух электронов. Присутствия в ядре
гелия двух нейтронов, которые мы встречаем в ядрах всех атомов, кроме
атомов водорода, можно было бы ожидать и на основании еще других
соображений. С повышением порядкового числа элементов возрастает и
число протонов в атомном ядре. Однако вследствие того, что все протоны
несут положительные заряды, а одноименные заряды отличаются способ-
ностью отталкиваться друг от друга, такие ядра должны были бы разле-
таться и вообще не могли бы образовываться. Но здесь и приходят на по-
мощь нейтроны. Они содержатся в ядрах также в возрастающем числе
и представляют собой как бы подобие цемента, который способен сдер-
живать протоны, эти отталкивающиеся друг от друга частицы. Это ни-
сколько не исключает того, что с возрастанием порядкового числа ядра
будут становиться все менее и менее устойчивыми и будут все легче и лег-
че распадаться, ибо, несмотря на цементирующее действие нейтронов,
отталкивающая сила множества протонов, наконец, будет проявляться
все в большей и большей степени.
В заключение выберем в качестве примера еще один элемент, чтобы
рассмотреть строение его атома, а именно углерод. Он имеет порядковое
число 6 и атомный вес 12. Уже сразу мы сможем сказать относительно его
атомов, что в их ядре содержатся по шесть протонов и по шесть нейтро-
нов. Для нейтрализации шести положительных зарядов его ядра необ-
ходимы шесть отрицательно заряженных электронов, которые и обра-
зуют электронную оболочку атома углерода.
Однако на этих электронах нам еще необходимо несколько остано-
виться.
Мы уже выше указывали, что эти электроны вращаются вокруг ядра
по совершенно определенным постоянным орбитам. В то время как диамет-
ры орбит первых двух электронов равновелики и оба гелиевых электрона
поэтому образуют только один слой, третий, вновь добавленный электрон
уже не найдет себе места в том же слое и поэтому должен будет вращать-
31
ся вокруг ядра по орбите более длинного радиуса. Он образует уже новый
слой. Дальнейшие дополнительные электроны могут заполнять этот слой
лишь до определенного числа. Высшее число для этого второго слоя
составляет восемь электронов. Как только это число будет достигнуто,
то следующий электрон опять-таки должен будет начать образование
нового слоя. Таким же образом дело будет обстоять и далее с той лишь
разницей, что число максимального заполнения слоев будет изменяться.
Для элемента урана, порядковый номер которого равен 92, и которому
поэтому соответствует и атомная оболочка, содержащая 92 электрона,
эти последние окажутся распределенными по нескольким слоям, охваты-
вающим ядро. Таким образом, атом обнаруживает слоистую структуру,
Рис. 11. Схема строения
атома гелия.
Рис. 12. Схема строения атома
углерода.
напоминающую структуру луковицы. Именно такая модель атома и была
предложена и развита англичанином Рёзерфордом и датчанином
Бором. Она отличается большой наглядностью и способна в химии
объяснить многие наблюдаемые явления.
В тех случаях, когда мы до сих пор на протяжении нашей беседы
устанавливали связь между атомами и числами, обыкновенно это были
лишь относительные числа — вспомним хотя бы об атомном весе. Эти
числа не давали нам никаких данных относительно абсолютных величин,
чисел и весов атомов. Число атомов в одном грамм-атоме какого-нибудь
элемента, т. е. в 1 г водорода или в 16 г кислорода, было установлено еще
в 1865 г. австрийским физиком Лошмидтом. По его имени это чи-
сло и получило название числа Лошмидта. На протяжении следующих
лет это число неоднократно определялось снова по самым разнообраз-
ным методам и каждый раз оно оказывалось равным числу одного и того
же порядка. Оно составляет 6,023 • 1023, причем, как известно, 1023 со-
ставляет число, обозначаемое единицей с 23 нулями. Это число превы-
шает возможности человеческих представлений о числе. Приблизитель-
ное понятие о величине этого числа мы можем себе составить лишь путем
сравнений. Число всех живущих на земле людей составляет около 2 мил-
лиардов. И вот лишь на 300 биллионах таких планет, как наша Зем-
32
ля, может быть столько людей, сколько атомов содержится в 1 г во-
дорода. Если бы каждый из двух миллиардов людей, проживающих на
земном шаре, день и ночь отсчитывал бы по 100 атомов в минуту, то все
человечество могло бы отсчитать число атомов в 1 г водорода только в
течение 95 000 лет. Но довольно сравнений! Мы уже видим, как ни лег-
ко придумать число Лошмидта и привести его обозначение, оно все же нам
может дать в лучшем случае лишь отдаленное представление о необычай-
ной величине этого числа, но не более.
До сих пор мы говорили об атомном весе лишь как об относительном
числе. С помощью числа Лошмидта мы можем подойти и к абсолютному
весу атома. В одном грамме водорода, как известно, содержится 6,023-1023
атомов. Имея в виду, что каждый атом водорода имеет одинаковый раз-
мер и одинаковый вес, этот атом должен иметь, следовательно, абсолют-
ный вес, равный 1/6,023 • 1023 а; это равно 1,662 • 10”24 г, т. е. одному
грамму, деленному на 1 с 24 нулями! Снова мы встречаемся с каким-
то потрясающе малым числом, о величине которого можно только дога-
дываться. Вес земли мы могли в первом приближении считать равным
5,5 • 1027 г. Если мы сравним по весу один атом водорода с весом камня,
равным 5,5 кг, то этот камень, при его соответствующем увеличении, по
сравнению с весом атома водорода достигнет массы нашего земного шара.
Представим теперь себе абсолютный размер атома. Если радиус атом-
ного ядра составляет около 10“13 см, то радиус всего атома равен
1СГ8 см, т. е. он в 100 000 раз больше радиуса ядра! Лишь самая ни-
чтожная 4асть атома состоит, таким образом, из материи, а все остальное
в атоме представляет собой пустое место. Для лучшего представления
мы могли мысленно увеличить наше ядро до размеров яблока с диаметром
в 10 см. Тогда электроны должны будут соответственно вращаться на
расстоянии приблизительно 500 м от яблока Ч Поэтому то, что мы ви-
дим в виде твердого и плотного тела, например кусок железа, в дей-
ствительности представляет собой весьма мало заполненное тело и состо-
ит в главной своей части из пустого пространства. Кубик платины с
ребром длиной в 1 м должен был бы сморщиться до величины булавочной
головки, если мы смогли бы сжать его до такой степени, чтобы все атом-
ные ядра соприкасались друг с другом. Мы должны быть исполнены чув-
ства удивления по поводу того, что при столь ничтожной величине ато-
мов человек сумел так глубоко проникнуть в тайну их строения.
ЕЩЕ НЕМНОГО ТЕОРИИ
Мы стоим перед большим зданием. Оно великолепно. Со своими свер-
кающими окнами, свежепокрашенными дверями и со своей безукоризнен-
ной побелкой оно привлекает к себе восхищенные взоры всех проходя-
щих и вызывает желание посетить его. Мы входим в него через большую
1 По современным данным, радиус ядра равен около 10—* 10 * 12 см, радиус электрона
10—13 см, а радиус атома 10—8 см. Соответственно этим данным в вычисления автора
следует внести поправки. (Ред.)
3 3. Шпаусус
33
массивную парадную дверь и внезапно испытываем неожиданное чувство
неприятного удивления. Внутренний вид дома оказывается далеко не
столь привлекательным, как его внешний вид. Отвалившаяся штукатур-
ка, безобразные пятна на стенах и на потолке находятся в резком конт-
расте с внешним фасадом дома. Это впечатление еще усиливается, когда
мы проникаем в подвальные помещения. Если до сего времени мы наблю-
дали только внешние недоделки, то во внутренних помещениях дома глу-
бокие трещины, пересекающие непрочный фундамент, имеющий вид лишь
временного сооружения, внушают опасение, что это столь великолепное
и привлекательное по внешнему виду строение может развалиться при ка-
ком-нибудь сильном толчке. Торопливо мы покидаем это здание и после
этого будем проходить мимо него уже не с восхищением, а с недоверием
и неудовольствием.
Мы начинаем новую главу, в которой будем говорить об основных
законах химии и которая вследствие этого, может быть, покажется кому-
нибудь не столь занимательной и наглядной, как другие главы. Однако,
как в описанном доме, так дело обстоит и в химии. Добротный солидный
фундамент полезнее, чем роскошный фасад. Если мы овладеем известным
минимумом знания основ, то нас уже не затруднит по учебникам познако-
миться более подробно с химией, и у нас окрепнет уверенность, что усваи-
ваемый новый материал покоится на прочной основе и легко сочетается
с тем, которым мы уже располагаем. Без знания этого минимального ма-
териала наши сведения не будут опираться на прочный фундамент: факты
по этой причине часто будут оставаться непонятными и приведут в конце
концов к тому, что интерес к химии иссякнет, ибо она покажется нам
очень трудной, непонятной и несистематической наукой.
Мы уже говорили о соединениях и о смесях, но при этом не познако-
мились с их природой, с их различиями и с общими для обоих подобных
образований свойствами. Пора подробнее остановиться на этих вопро-
сах. В качестве примера снова возьмем серу и железо.
В одной склянке у нас имеется мелкий порошок серы, в другой —
столь же измельченный порошок железа. Оба порошка мы ссыпаем вместе,
хорошо перемешиваем и рассматриваем смесь, которая при этом получи-
лась. Нам не придется подробнее разъяснять тот факт, что мы имеем дело
со смесью серы и железа, да мы сочтем такое разъяснение и излишним,
а результат смешения совершенно очевидным.
Но как будет обстоять дело со свойствами этой смеси? Одинаковы ли
они со свойствами исходных составных частей смеси, или они стали дру-
гими после смешения? Не испытали ли они во время смешивания ка-
ких-либо изменений?
Начнем наше рассмотрение с окраски. Если раньше порошок железа
имел серый цвет, а порошок серы — желтый цвет, то окраска смеси бу-
дет желто-серой, т. е. промежуточной между окрасками составных частей
смеси. Если же мы воспользуемся лупой или даже микроскопом, то
увидим крупинки серы лежащими рядом с крупинками железа и сможем
снова подтвердить, что и те и другие сохранили свой первоначальный
34
цвет и что только благодаря их мелкому размеру может показаться не-
вооруженному глазу, что они приобрели какую-то среднюю окраску.
Относительно железа нам известно, что оно обладает магнитными
свойствами. Следовательно, если мы возьмем магнит и введем его в смесь,
то мы не сможем ожидать ничего другого, как полного притяжения маг-
нитом крупинок железа и их прочного прилипания к магниту, в то время
как захваченные крупинки серы будут отскакивать от магнита уже при
легком постукивании.
Железо очень хорошо проводит электрический ток, сера совер-
шенно не обнаруживает электропроводности. При спрессовывании смеси
и при соединении ее при помощи двух проводов __
с источником тока мы обнаружим электропро-
водность, которая будет слабее, чем электропро- / >
водность железа, но сильнее, чем электропро- If \ ’
водность чистой серы. I I
Если мы прильем к смеси кислоты, напри- | |
мер соляной кислоты, то сможем наблю- I |
дать наступление реакции, в течение которой I |
железо будет медленно исчезать, на первый 1 |
взгляд, растворяться, и одновременно в виде I |
пузырьков будет выделяться бесцветный газ, — fe
который обозначают названием водород. Эту
реакцию обнаруживает также и чистое, не сме-
шанное с серой, железо.
Запомним же все, что мы наблюдали в этом
примере, и отметим все виденное как свойства
смеси.
Смесь не имеет каких-либо новых свойств
по сравнению со свойствами отдельных ее со-
ставных частей, но обнаруживает свойства Рис. 13. Разделение серы
этих же составных частей, которые могут и железа с помощью маг-
усиливаться или ослабляться. нита’
Но каким образом мы распознаем отдель-
ные составные части? Ответить на этот вопрос нетрудно. Если эти состав-
ные части представляют собой крупные частицы, то мы их обнаружим в
отдельности невооруженным глазом, например в том случае, когда бу-
дем иметь смесь булыжников и капустных кочанов. Чем мельче будут
частицы, тем лучшими оптическими средствами придется воспользовать-
ся для того, чтобы их различать. Но всегда составные части можно раз-
личить в отдельности, если только такая возможность их различения не
будет ограничена благодаря несовершенству оптических приборов.
Таким образом, мы видим, что исходные составные части смеси воз-
можно различать в отдельности друг от друга.
Что мы можем сказать об их отделении друг от друга? Несомненно,
оно в принципе возможно, ибо если я мегу различать составные части
смеси, то я смогу и отсортировать их. В нашем примере смеси булыжни-
3*
35
ков с капустными кочанами такое механическое разделение вообще не
представляет собой какой-либо проблемы. В смеси порошков серы и же-
леза такая отборка отдельных крупинок потребовала бы затраты значи-
тельного времени и труда, но все же она была бы вполне мыслимой. В этом
случае такого разделения удалось бы легче достигнуть, как мы это уже
знаем, при помощи магнита. Железо им притягивается, а сера остается.
Мы можем себе представить такой метод разделения, который основан на
значительной разнице в удельном весе для серы и железа. Один кубиче-
ский сантиметр серы весит 2 г, а один кубический сантиметр железа —
7,6 г. Если к смеси я добавлю воды, сильно встряхну смесь и предоставлю
ее самой себе, то тяжелые частицы железа будут скорее погружаться на
Рис. 14 Разделение серы
и железа отстаиванием.
дно, чем более легкие частицы серы. По
прошествии определенного времени вся
смесь осядет на дно, причем нижняя по-
ловина осадка будет преимущественно со-
стоять из железа, а в верхней его полови-
не будет сосредоточена главным образом
сера. Еще основательнее и аккуратнее мы
сможем осуществить разделение этих со-
ставных частей, если мы добавим к смеси
не воду, а жидкость, имеющую удельный
вес выше, чем 2,1, например так называе-
мый бромистый этилен (уд. в. 2,2). Бо-
лее легкая сера всплывает в этой жидко-
сти на поверхность, а значительно более
тяжелое железо погружается на дно без
примеси серы.
Наконец, приведем еще одну возмож-
ность разделения, которая по крайней мере в нашем изложении пусть
будет последней. Сера в противоположность железу отличается способ-
ностью растворяться в сероуглероде — огнеопасной жидкости, имеющей
отвратительный запах. При этом мы будем себе представлять процесс
растворения следующим образом. С поверхности кристаллов серы непре-
рывно будут отрываться мельчайшие частицы, которые будут направ-
ляться затем в растворитель. Такое растворение может иметь своим ре-
зультатом измельчение растворенного вещества до самых мельчайших
частиц, вплоть до молекул. Скорость, с которой частицы серы растворя-
ются, отделяясь от твердого куска, является мерой скорости процесса
растворения. Наконец, зернышки серы исчезнут из поля нашего зрения
и будут находиться в состоянии разделения до мельчайших частиц,
растворенных в сероуглероде. Последний остается после растворения в
нем серы таким же прозрачным, каким он был и до растворения серы,
и в этом для нас нет ничего непонятного, если мы подумаем о ничтожной
величине частиц растворенной серы,
для наших органов чувств. Об одном
связи. Мы уже говорили в этой главе
которые уже стали неразличимыми
лишь еще следует упомянуть в этой
о том, что железо «растворяется»
36
в соляной кислоте, причем слово «растворяется» было нами поставлено
в кавычки. Это было сделано потому, что растворение серы в сероугле-
роде или сахара в воде не сопровождается никаким изменением растворен-
ного вещества и поэтому должно рассматриваться как физический про-
цесс, между тем как в «растворении» железа в соляной кислоте, непра-
вильно обозначаемом словом «растворение», следует усматривать хими-
ческую реакцию, которую мы должны резко отличать от процесса под-
линного растворения.
Однако вернемся назад к нашей смеси. При встряхивании с серо-
углеродом нашей смеси серы и железа сера перейдет в раствор. Но остаю-
щееся железо будет нам мешать. Как
ни малы крупинки железа, но по срав-
нению с растворенными частицами серы
они все же будут иметь колоссальную
величину. Для того чтобы осущест-
вить их отделение, мы профильтруем
смесь. Фильтрование по существу явля-
ется ни чем иным, как утонченным про-
сеиванием, но только вместо грубого
проволочного сита мы в данном слу-
чае будем пользоваться особо при-
готовленной фильтровальной бумагой
с очень мелкими порами. Все, что по
размерам будет меньше, чем диаметр
пор этой бумаги, может пройти сквозь Рис 15 Схема процесса фильтро.
сито или, вернее, сквозь бумагу, а все, вания.
что имеет более значительную величи-
ну, по сравнению с величиной пор, должно остаться на фильтре. В фильт-
рате, прошедшем через бумагу, будет содержаться только растворенная
сера. Если мы теперь удалим растворитель из раствора серы в сероугле-
роде путем его испарения или отгонки, то в чашке останется только одна
нелетучая сера в виде прекрасно образованных кристаллов.
Обобщим все сказанное. Разделение смеси на ее составные части лег-
ко возможно осуществить также и физическим путем. При подобных раз-
делениях, разумеется, не произойдет никакого глубокого изменения со-
ставных веществ смеси.
Как обстоит дело с количественным отношением серы и железа в их
смеси? Ответить на этот вопрос нетрудно. Никто не может помешать нам
смешать 3 грамма серы с 2 центнерами железного порошка и, соответст-
венно, любые другие их количества. Сера и железо и в конце концов
все другие вещества могут смешиваться между собой в любых мыслимых
отношениях.
До сих пор мы подвергали нашу смесь самым разнообразным опера-
циям, но избегали только сильно нагревать ее. Если мы это сделаем,
то произойдет реакция, после завершения которой наступят совершен-
но новые обстоятельства. Проведем этот опыт таким образом, что смесь
37
Рис. 16 Взаимодей-
ствие между серой и
железом.
из 32 г серы и 56 г железного порошка мы насыплем в пробирку и эту про-
бирку нагреем в каком-нибудь месте в пламени газовой горелки. Через
непродолжительное время у нагреваемого места можно будет заметить
раскаливание, которое быстро распространится по всей массе смеси. Вы-
деление тепла при этом будет столь значительным, что часто стекло не
выдерживает такого нагревания и расплавляется. После охлаждения
рассмотрим результаты опыта. Уже при беглом взгляде можно устано-
вить, что наша смесь совершенно изменилась: из рыхлого желто-зеленого
порошка образовалась черно-синяя спекшаяся масса, которая с внешней
стороны уже не обнаруживает никакого сходства с серой и железом. Ни
при рассматривании невооруженным глазом, ни под микроскопом мы не
сумеем заметить ничего, кроме черно-синих час-
тиц. От наших исходных материалов уже не оста-
лось ничего.
Применив к нашему новому продукту исполь-
зованные ранее методы разделения, мы увидим,
что все они протекут с отрицательным резуль-
татом. Сероуглерод уже не извлечет серы из по-
лученного продукта, магнит не будет уже притя-
гивать полученного вещества, да и осаждение и
отмучивание не приведет ни к каким результа-
там, ибо все частицы нового вещества будут иметь
одинаковый удельный вес.
А свойства? После тщетных попыток разделе-
ния вещества на их составные части приходится
признать, что свойства образовавшегося веще-
ства будут отличны от свойств его составных час-
тей. Дальнейшие опыты подтверждают это. При
взаимодействии с соляной кислотой вместо не
имеющего запаха водорода будет выделяться от-
вратительно пахнущий ядовитый газ — сероводо-
род. Твердость нового вещества, равно как его темная окраска, отли-
чаются также от соответствующих свойств смеси.
После этого мы сможем установить, что образовавшееся соединение —
сернистое железо (ибо речь идет именно о нем) ничего общего не имеет
со смесью серы и железа и во всех отношениях отличается от этой смеси.
Химическое соединение, как мы должны еще раз подчеркнуть, представля-
ет собой нечто совершенно иное, чем смесь составляющих его исходных ве-
ществ даже и в тех случаях, когда и соединение и смесь содержат оди-
наковые весовые количества образующих их отдельных составных вешаете.
В то время как смесь обнаруживает свойства своих составных частей, на
которые она вновь может быть разложена физическими методами, со-
единение характеризуется совершенно новыми свойствами и может быть
разложено на составные части только химическим путем. И если в смеси
атомы или молекулы ее составных частей находятся рядом друг с дру-
гом в неизменившемся виде, в соединении они вступили друг с другом
38
во взаимодействие, в результате чего образовались новые молекулы,
представляющие собой последние мельчайшие единицы соответствую-
щего соединения.
Для смеси неважно, в каком именно количественном соотношении
в ней содержатся железо и сера. Для соединения дело обстоит иначе.
Если мы хотим, чтобы сера и железо полностью вступили во взаимодей-
ствие друг с другом с образованием сернистого железа и чтобы после
этой реакции не осталось в непрореагировавшем виде ни серы, ни железа,
то для этого обе составные части должны содержаться в смеси взаимодей-
ствующих веществ точно в количественном соотношении их атомных ве-
сов, т. е. 56 : 32, или 7 : 4. На это мы уже указывали и раньше и объяс-
няли эти постоянные числовые соотношения, пользуясь атомными
представлениями.
Описанная выше реакция может быть кратко выражена схемой:
сера -(-железо—* сернистое железо.
Из этой схемы можно увидеть, что два простых вещества (элемента)1
соединяются друг с другом с образованием соединения — сложного ве-
щества. Такой процесс называют в химии синтезом. Таким образом, мы
будем говорить о синтезе вещества сернистого железа из элементов же-
леза и серы. Противоположным процессом будет разложение сложного
вещества на составляющие его элементы или по крайней мере на менее
сложные составные части. Такой процесс называется анализом. Химия
занимается в одинаковой степени обоими названными направлениями
работы. Путем анализа устанавливают состав и структуру какого-либо
соединения, которое иногда встречается только в природном виде. Таким
путем устанавливается по крайней мере хотя бы только теоретическая
возможность синтетического получения такого вещества в лаборатории.
При этом следует еще добавить, что в аналитической химии иногда вовсе
не имеет существенного значения, а подчас даже оказывается излишним
и даже невозможным разложение какого-либо соединения вплоть до его
первоначальных составных частей — элементов. Достаточно бывает хотя
бы только установить состав какого-либо вещества, и задача уже может
считаться выполненной. Но этого результата можно достигнуть путем
отыскания и применения определенных реакций, которые являются ха-
рактерными для какого-либо соединения или для одной из составных ча-
стей соединения и которые делают вовсе ненужным проведение полного
разложения испытуемого вещества. Так например для того чтобы уста-
новить, что предмет, попавший в наши руки, представляет собой автома-
тическую ручку, достаточно только установить, может ли этот предмет
при поворачивании и надавливании вбирать в себя Чернила и снова выпу-
скать при письме эти чернила на перо. Если этот предмет выполняет 1
1 Автор не проводит в своем труде различия между понятиями «простое вещество»
и «элемент». Это— типичное явление для многих учебных руководств и научно-популярных
работ зарубежных изданий. При первоначальном изучении химии, мы полагаем, это раз-
личие не является обязательным. (Ред.)
89
указанные действия, то этот предмет однозначно может быть признан авто-
матической ручкой, и для такого признания нет необходимости разбирать
его предварительно полностью на части.
До сих пор мы интересовались только тем, какие вещества существо-
вали до реакции и какое вещество образовалось после реакции. Процесс»
который имеет своим результатом образование сернистого железа, мы вы-
ражали схемой:
сера 4- железо -> сернистое железо.
При этом мы не упомянули об одном обстоятельстве. При обсужде-
нии этой реакции мы уже указывали на то, что во время ее течения вы-
деляется энергия в форме теплоты. Эта выделяющаяся теплота часто мо-
жет быть довольно значительной, и при многих реакциях ее появление и
составляет главную намеченную с самого начала цель проведения данной
реакции. Достаточно подумать о разнообразнейших процессах горения.
Когда зимой мы сжигаем в нашей печке уголь, то нас не очень-то интере-
сует, какие продукты горения при этом получаются. Мы сжигаем уголь
лишь ради того, чтобы воспользоваться выделяющейся при этом тепло-
той, которая нам необходима для отопления нашей комнаты.
В примере с серой и железом дело обстояло таким образом, что
после простого нагревания реакция сама протекала дальше и что во вре-
мя ее течения выделялось в свободном виде значительное количество
теплоты, которая обнаруживалась по яркому накаливанию вещества.
Если мы захотим учесть протекающее при реакции выделение теплоты,
то должны будем представить схему реакции следующим образом:
сера + железо~*сернистое железо + энергия (теплота).
При этом процессе тепло выделяется («тепло выходит наружу», по-
гречески — «экзо»), и мы имеем пример «экзотермической реакции». Та-
кое изменение обыкновенно, раз начавшись, продолжается самопроиз-
вольно и далее, ибо эта реакция сама доставляет необходимую для своего
продолжения энергию. Иначе обстоит дело при реакциях, которые при
своем течении поглощают теплоту, а следовательно, являются эндо-
термическими, при которых «теплота входит внутрь» (по-гречески
«эндо»—внутрь) и которые могут осуществляться только при условии не-
прерывного подведения теплоты извне, как это, например, имеет место
при разложении воды на ее составные части.
Тепловой эффект можем с известными оговорками рассматривать как
меру взаимного «сродства» обоих участников соединения, причем под
«сродством» мы будем понимать химическое сродство, т. е. склонность
элементов соединяться друг с другом с образованием соединений. Если
два элемента проявляют значительное сродство друг к другу, то они
легко вступают друг с другом в соединение. При такой реакции выделя-
ется значительнее количество теплоты, как например при реакции со-
единения серы с железом.
Для начала этих основных понятий будет достаточно: они позволят
нам понимать простые реакции.
40
СРЕДИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
После напряженного внимания, которого потребовало усвоение по-
следней главы, читатель заслужил некоторой разрядки. Давайте совер-
шим небольшую прогулку среди самих элементов. Ведь до сих пор мы рас-
сматривали лишь смысл слова «элемент». Познакомимся же хотя бы с
главнейшими элементами.
Всего имеется сто два элемента. Некоторые из них нам хорошо зна-
комы: с ними мы ежедневно приходим в соприкосновение. Наоборот,
некоторые нам еще никогда не попадались и, вероятно, мы их никогда и
не увидим, потому что они, во-первых, встречаются очень редко и попа-
даются лишь совместно с другими элементами, или потому, что при нор-
мальных условиях они являются невидимыми. Многие элементы чрезвы-
чайно неустойчивы и поэтому относительно их известно только, что они
могут существовать в течение крайне короткого времени; известно также
их название, но больше ничего.
Как ни различны химические элементы, но все же скоро наше вни-
мание привлечет к себе группа, которая характеризуется целым рядом
общих свойств. Это — металлы, составляющие большую часть всех эле-
ментов. В качестве внешнего их признака можно указать, что они все
отличаются металлическим блеском. Если этот блеск для золота, серебра
или ртути выражен очень сильно, то для свинца или железа мы его смо-
жем заметить лишь после очистки их поверхности. Ввиду того что по-
следние из названных металлов имеют большое сродство к кислороду,
они соединяются с ним с поверхности с образованием новых веществ —
окисей или окислов, которые уже не проявляют блеска.
Дальнейшим типичным свойством металлов является их хорошая про-
водимость в отношении электрического тока. Эта способность свойствен-
на не только металлам; растворы их солей также являются проводниками
тока, но эти растворы испытывают во время прохождения через них тока
такое изменение вещества, которого в металлах при этих условиях заме-
тить нельзя. Металлическая электропроводность становится понятной,
если мы примем во внимание структуру металлов. Как мы уже знаем,
металлы состоят из атомов, которые в свою очередь построены из положи-
тельно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. У ме-
таллов некоторые электроны подвижны и могут в зависимости от обстоя-
тельств перемещаться и переходить к соседнему атомному остову, кото-
рый незадолго до этого утратил часть своих электронов. Эти подвижные
электроны как бы образуют своего рода «электронный газ», который
может передвигаться внутри атома. Если мы приложим к такому провод-
нику напряжение, присоединив один конец провода к положительному
полюсу (аноду), а другой конец — к отрицательному полюсу (катоду)
какого-нибудь источника тока, то электроны, несущие отрицательный
заряд, будут проявлять тенденцию передвигаться по направлению к поло-
жительному аноду, ибо противоположные заряды всегда взаимно притя-
гиваются. С другой стороны — с катода батареи — будут посылаться
41
в провод новые электроны, которые заменят собой электроны, отошедшие
к аноду. Батарею или всякий другой источник тока можно сравнить с на-
сосом, который с одной своей стороны всасывает, а с другой стороны
накачивает электроны. Хотя ток и проходит в течение одной секунды
колоссальное расстояние, равное 300 000 км, т. е. передвигается за
секунду на расстояние, в 7,5 раза превышающее окружность земного ша-
ра, но это еще не означает, что электроны движутся и в проводнике с та-
кой же громадной скоростью. Лишь импульс к приведению их в движе-
ние распространяется в столь короткое время по проводу, но фактическая
скорость движения составляет лишь доли одного миллиметра в секунду.
Если мы на одном конце откроем кран водопровода, имеющего протя-
жение многих километров, то вода начнет вытекать тотчас же, однако это
не означает, что молекулы воды в столь же ничтожный промежуток вре-
мени проследуют через всю длину водопровода.
Параллельно с электрической проводимостью осуществляется и хо-
рошая теплопроводность. При дотрагивании до металлических предме-
тов рукой мы ощущаем холод, ибо теплота нашей руки отводится метал-
лами. С другой стороны, мы, несомненно, не раз болезненно убеждались
в том, что при нагревании металлы очень скоро становятся горячими.
Цвет металлов не отличается большим разнообразием. Преобладаю-
щим цветом металлов является серебристо-черный цвет с переходом в
серый, желтый и до красного цвета.
А прочие свойства? Можно было бы считать, что металлы должны
быть твердыми, но это не всегда подтверждается, ибо натрий, калий ока-
зываются столь мягкими, что поддаются разрезыванию ножом; знакомый
всем нам свинец очень легко поддается деформации и разделению. Всем
ли металлам свойственно при обычных условиях твердое состояние? Нет,
металл ртуть составляет исключение, ибо она при нормальной темпера-
туре является жидкостью. Агрегатное состояние никоим образом нельзя
считать типичным свойством для металлов.
По весу металлы могут быть подразделены на две группы: на легкие
металлы с удельным весом ниже 5 и на тяжелые металлы с удельным
весом, большим чем 5. Под удельным весом, как известно, мы понимаем
вес одного кубического сантиметра вещества в граммах. Разделение ме-
таллов на легкие и тяжелые является условным и не находится ни в ка-
кой зависимости от их структуры или от других их свойств.
Легкие металлы проявляют особенно высокое сродство ко многим
элементам. Поэтому в природе они всегда встречаются в виде соединений,
и часто приходится затратить много старания и энергии, чтобы из этих
соединений выделить их в свободном виде и получить в элементарном со-
стоянии. К таким металлам относятся натрий, калий или кальций, кото-
рые в металлическом виде не играют особо важной роли, но которые
являются составной частью большого числа очень важных и широко рас-
пространенных соединений. Наоборот, металлические алюминий и магний
со времени их открытия играют все более и более возрастающую роль в
технике и повседневной жизни.
42
Алюминий впервые был получен Фридрихом Вёлером
в 1827 году. Но громаднейшее значение для его дальнейшего промышлен-
ного получения имело то обстоятельство, что в 1854 году Бунзену
удалось выделить этот металл более рациональным и изящным методом
при действии электрического тока. Однако в связи с тем, что в те времена
необходимые для выделения алюминия большие количества электроэнер-
гии еще не были доступны и могли быть получены лишь по весьма высо-
кой цене, все попытки промышленного использования электролитиче-
ского метода получения алюминия неизменно терпели неудачу. В то время
цена 1 кг алюминия достигала 2400 марок, и на Парижской выставке ку-
бик, изготовленный из алюминия, «серебра из глины», привлекал к себе
в качестве новинки всеобщее любопытство. С изобретением динамо-маши-
ны в области получения электрического тока был сделан гигантский шаг
вперед, который имел благоприятное влияние и на промышленное произ-
водство алюминия. Цена 1 кг непрерывно понижалась и в 1939 году до-
шла до 1,33 марки. Алюминий мог совершить свой победный марш в
качестве широко применяемого металла и в свою очередь оказать весьма
значительное влияние на развитие всей техники. Либо в виде чистого
металла, либо, еще чаще, в виде сплава с другими металлами он находит
вследствие своего незначительного удельного веса разнообразнейшее
применение в строительстве автомобилей и самолетов. В особенности
самолетостроение совершенно нельзя себе было бы мыслить без легких ме-
таллов. Кроме того, алюминий в связи с его устойчивостью по отношению
к внешним воздействиям находит себе во все возрастающей степени при-
менение при производстве предметов домашнего хозяйства, а также мо-
жет благодаря своей хорошей электропроводности во многих случаях
служить заменой более дорогой и дефицитной меди. К тому же произ-
водство алюминия доступно почти в неограниченном масштабе ибо ис-
ходные материалы для его получения имеются в достаточном количестве.
То же самое можно сказать и относительно магния. Ввиду того что
магний способен очень энергично и с распространением ослепительного
пламени гореть на воздухе, он находит частое применение для изготов-
ления порошка для световых вспышек, а также при производстве фейер-
верков. Но именно вследствие этого своего свойства он в виде чистого
металла не может найти применения для изготовления машин и инстру-
ментов. Однако в виде сплава, т. е. с добавлением алюминия, меди и цин-
ка, он находит применение во всех тех случаях, когда мы могли бы при-
менить алюминий, но где требуется металл, хотя и легкого веса но отли-
чающийся большей твердостью, чем алюминий.
В противоположность легким металлам тяжелые металлы обнаружи-
вают по мере повышения их удельного веса все понижающееся сродство
к кислороду и поэтому они легче поддаются выделению из их соединений
с другими элементами, а подчас даже встречаются в природе в виде
самородных элементов, как например благородные металлы. Послед-
ние поэтому уже издавна были известны человеку и оказали большое
влияние на развитие материальной культуры человечества. Те металлы.
43
которые лишь с трудом удается соединить с другими элементами, мы обоз-
начаем как благородные металлы и при этом имеем в виду серебро, золото
и платину, противопоставляя их неблагородным металлам, которые с
внешней стороны, правда, не имеют столь красивого, блестящего вида,
но зато незаменимы в жизни человеческого общества. Резкой границы меж-
ду обеими этими группами установить не удается, и между ними можно
еще поместить группу полублагородных металлов, например медь и ртуть.
В то время как неблагородные металлы уже при обыкновенной темпера-
туре на поверхности соединяются с кислородом, эта реакция для полубла-
городных металлов наступает лишь при их нагревании, а по отношению
к благородным металлам не протекает вообще.
Благородные металлы, особенно золото, известны человечеству уже
много тысячелетий. Там, где эти металлы встречаются в самородном со-
стоянии, их добыча не связана с большими трудностями, особенно если
найдено их месторождение. Они отличаются постоянно сохраняющимся
блестящим видом. Вследствие своей редкости они очень скоро — и это
особенно относится к золоту — стали олицетворением богатства и могу-
щества. Уже в течение тысячелетий люди стремятся владеть золотом, не
жалея для его приобретения трудов, но и не останавливаясь для этого
перед коварством и преступлением. «На земле весь род людской чтит один
кумир священный. Тот кумир — телец златой», — читаем мы в «Фау-
сте» Гёте. Ни один металл не вызывает столько жадности, не обусловливает
столько ужаса и смерти, как золото. Ради золота было искоренено племя
инков, умерщвлено множество людей, затеяно много войн. Ради золота
наступило загнивание химической науки в эпоху алхимии.
В настоящее время люди стали более трезвы по отношению к золоту.
Вместо слова «золото» мы теперь применяем слово «деньги». Но все же
в настоящее время золото не потеряло своего значения и применяется для
изготовления украшений или является во многих государствах основой
государственной валюты. С большим старанием изъятое из недр земли,
оно для этой цели вновь зарывается в подземные стократно охраняемые
сейфы государственных банков.
Что касается серебра к платины, то хотя и они частично также при-
меняются для изготовления украшений, но все же эти металлы играют
значительно большую роль в технике и в науке. Соли серебра незаменимы
в фотографии, а чрезвычайно устойчивая по отношению к внешним воз-
действиям платина перерабатывается, несмотря на свою высокую стои-
мость, на тигли, чашки и другие предметы лабораторного оборудования,
а также находит применение в качестве контактного вещества (катализа-
тора) для ускорения химических процессов.
Можно было бы еще многое рассказать об отдельных металлах. Вни-
мания заслуживают на первый взгляд столь малозаметный свинец, жидкая
блестящая ртуть, знакомая нам по ее применению в термометрах и дру-
гих приборах, красноватая, вязкая и ковкая медь, которая вследствие
своей превосходной электропроводности применяется главным образом
для производства кабелей и проводов.
44
Невольно приходится остановиться и на столь часто упоминаемом в
последнее время уране, атомы которого могут расщепляться с выделением
гигантских количеств энергии.
Нельзя забывать также об излучающем целебные или смертельные
лучи радии или о многих металлах, применяемых для облагораживания
стали, а именно: о марганце, хроме, молибдене, вольфраме и др., и, ко-
нечно, нельзя также забывать о железе.
Однако ввиду того что эти металлы отчасти нам хорошо известны
и, с другой стороны, подробное описание их истории, добывания, свойств
Рис. 17. Лабораторные сосуды из платины.
и применения выходило бы далеко за пределы настоящей главы и даже за
пределы всей этой книги, мы ограничимся лишь приведенными краткими
сведениями об этих металлах, оставляя за собой право коснуться неко-
торых из них и подробнее рассмотреть в дальнейших главах.
То же самое относится также и к неметаллам. По отношению к ним
мы также ограничимся лишь кратким обзором и подвергнем более под-
робному рассмотрению, собственно говоря, одну только серу.
Все мы знакомы с желтыми, хрупкими и нерастворимыми в воде че-
ренками серы, которые в истертом виде уже были нами применены для
изготовления сернистого железа. Еще больше нам известно о сере уже с
самого детства, когда мама пользовалась горящей серой для дезинфекции
горшков, банок и бутылок. Разумеется, это не единственное применение
45
Нагнетаемый оозду*
Сера Сера
Водяной пар { Зодяной пар
175°С | \ /| 175°С
Рис 18. Получение серы по методу
Фраша.
серы. В несравненно более значительных количествах серу применяют для
производства серной кислоты, для вулканизации каучука. Какое количе-
ство серы расходуется на вулканизацию, можно понять, если учесть, что
мягкая резина содержит до 10%, а эбонит даже до 33% серы. Далее, сера
применяется для приготовления
охотничьего пороха, спичек, мно-
гих медикаментов и т. п.
Эта очень необходимая нам се-
ра встречается в природе как в виде
серы, связанной с металлами, в раз-
ных «колчеданах», «блесках» и «об-
манках», из которых она может быть
удалена путем обжига и выделена из
продуктов горения этих материалов,
так и в органических веществах на-
пример в белковых веществах или в
угле. При производстве светильного
газа сера должна быть удалена из не-
го путем очистки газа. Таким путем
на газовых заводах получаются зна-
чительные количества серы. Нако-
нец, сера встречается в природе и в
самородном элементарном состоянии,
и эти-то месторождения и покрывают
главным образом потребность в сере.
В Сицилии встречается сера вулка-
нического происхождения, в Лузиане
и Техасе она образует мощные под-
земные пласты на глубине 150—
300 ж. Добыча серы в Италии восхо-
дит к очень давнишним временам и
производится поныне по старинному
методу Из смеси породы с серой по-
следняя добывается путем выплавки
ее из особых куч, которые называют-
ся «калькарони». Однако кое-где
пользуются и более современными кольцевыми печами. Ввиду того что
Италия бедна углем, необходимую для выплавки теплоту получают пу-
тем сжигания части самой же полученной серы, благодаря чему чистый
выход серы значительно уменьшается, а рабочие, а также и окружающая
местность страдают от ядовитых продуктов сгорания серы.
Значительно более современным является использование американ-
ских месторождений серы. Здесь в землю пропускают на глубину около
100 м трубы диаметром 25 см, В эти трубы концентрически пропу-
скают еще две трубы меньшего диаметра. По пространству, промежуточ-
ному между внешней и второй трубами, пропускают вниз перегретый до
температуры 175° водяной пар, который превращает внизу в жидкое со-
стояние серу, плавящуюся при 113°. Через внутреннюю трубу вниз на-
гнетают сжатый воздух, который внизу смешивается с расплавленной се-
рой, переводит ее в пенистое состояние, т. е. в такое состояние, при
котором ее удельный вес понижается, после чего сера вытесняется на-
верх в особые большие формы, в которых застывает и сразу же может быть
отправлена потребителю.
С таким рациональным и современным методом добычи серы не мо-
гут конкурировать жители Сицилии, почему производство итальянской
серы непрерывно сокращается, в то время как производство американ-
ской серы возрастает.
Мы только что рассмотрели одно вещество в различных состояниях,
но мы не входили при этом подробнее в обсуждение существа и изменений
этих агрегатных состояний.
Начнем с твердого агрегатного состояния. Твердое вещество нахо-
дится либо в аморфной (не имеющей определенной структуры) форме,
либо в кристаллической форме. В то время как в первом случае его
мельчайшие структурные элементы, т. е. атомы или молекулы, беспоря-
дочно расположены внутри вещества, наоборот, в кристалле они имеют
определенное, упорядоченное расположение, при котором каждая ча-
стица занимает свое определенное место. Обе формы имеют между собой
то общее, что в обоих случаях атомы испытывают по отношению друг к
другу вследствие их близкого взаимного расположения столь значитель-
ную силу притяжения, что они лишь с трудом поддаются разделению друг
от друга. Другими словами, твердое вещество сохраняет свою однажды
принятую форму и проявляет в большей или меньшей степени твердость
и сопротивление по отношению к механическим воздействиям. Однако
это еще вовсе не должно означать, что частицы, составляющие твердое
вещество, пребывают в полнейшем покое. Наоборот, каждое вещество со-
держит при температуре выше абсолютного нуля (равного — 273°С) энер-
гию в форме движения его частиц. При нормальных температурах эти
частицы находятся в непрерывном движении и колеблются около неко-
торого положения покоя, но при этом они не могут оторваться от своей
связи со всем кристаллом, ибо привязывающие их к кристаллу силы кри-
сталлической решетки имеют большую величину, чем энергия их движе-
ния, обусловливающая колебания частиц около их положения равновесия.
Поясним это примером, заимствованным из школьной жизни в классе.
Вовремя урока в классе каждый ученик—мельчайшая единица в школе —
имеет свое определенное место, на котором он и пребывает все время. При
этом, однако, вовсе не требуется, чтобы все ученики совершенно непо-
движно сидели, застывши на своих местах. Каждый ученик может повора-
чиваться вправо или влево, поднимать руку или переставлять ноги, в ре-
зультате чего порядок в классе нисколько нельзя считать нарушенным.
Соответственно этому дело обстоит и в кристалле, где его структур-
ные элементы занимают постоянное место. Мы при нагревании подводим
к твердому телу большое количество энергии. Его кристаллические струк-
47
Рис. 19. Схема, иллюстрирующая
испарение жидкости.
турные элементы будут благодаря этому колебаться быстрее и энергичнее
около положения их равновесия. При определенной температуре, а имен-
но при температуре плавления, наступит такой момент, когда энергия
движения становится больше, чем сдерживающая сила в кристалле. Ча-
стицы освобождаются из неподвижного связанного состояния в решетке,
кристалл утрачивает свою форму и плавится. Вместе с этим завершает-
ся и переход вещества из твердого агрегатного состояния в жидкое, причем
прежний порядок нарушается, однако все же сила притяжения между
отдельными частицами остается столь значительной, что вся жидкость
представляет собой одно связанное целое. Чтобы освободиться от этой
связи, частицы должны преодолеть не только силу взаимного притяже-
ния, но и давление воздуха. Кинетиче-
ская энергия (энергия движения) распре-
делена среди частиц неравномерно, но по
статистическим законам, т. е. имеющаяся
энергия воспринимается этими частицами
различными порциями. Поэтому те части-
цы, которые оказываются особенно бога-
тыми по содержанию энергии и которые,
кроме того, будут находиться на поверх-
ности, будут отрываться от этой поверх-
ности и в качестве вполне подвижных
перейдут в совершенно уже беспорядоч-
ное газовое состояние. Таким образом,
жидкость в более или менее скором времени начнет испаряться с поверх-
ности. Непосредственный и быстрый переход в неупорядоченное газовое
состояние, при котором, в идеальном случае, на частицы уже совершен-
но не оказывают никакого действия силы притяжения, будет достигнут
только в точке кипения. Кипение в отличие от испарения начнет осущест-
вляться не только на поверхности, но и внутри жидкости. Наоборот,
охлаждение газа будет связано с уменьшением кинетической энергии
и с усилением сил взаимного притяжения частиц, т. е. с конденсацией
газа в жидкость, а потом и с затвердением или застыванием этой
жидкости до твердого состояния. Применив приведенное выше срав-
нение с классом учеников, можно было бы сравнить процесс плавления
со звонком, объявляющим перемену. В этот момент сидение учеников
становится необязательным, ученики беспрепятственно разбегаются по
классной комнате или по школьному двору, однако все же продолжают
составлять один объединенный коллектив. Лишь небольшому числу уче-
ников удается иногда покинуть и двор школы, они «испаряются». Однако
по окончании последнего урока мы не можем провести параллель между
поведением учеников и кипением. Установленный в классе порядок те-
перь, после окончания занятий в школе, совершенно нарушается, и уче-
ники беспорядочно распределяются по всему городу.
До сего времени мы обсуждали только такие примеры, при которых
переход из твердого состояния в газообразное и, наоборот, осуществлялся
48
через жидкое агрегатное состояние. Это вовсе не является всегда обяза-
тельным. Для серы, например, мы встречаем такой случай, когда веще-
ство из газообразного состояния может переходить непосредственно в
твердое состояние, причем процесс может как бы «перешагнуть» через
жидкое состояние. Это явление может быть наблюдаемо и для йода —
черно-серого неметалла. При нагревании твердого йода он непосредствен-
но переходит в газообразное агрегатное состояние и при охлаждении так-
же «перешагивает» через жидкую фазу. Такой переход (твердое -> газо-
образное вещество) с обходом жидкой ступени обозначают термином воз-
гонка, или сублимация, а необходимая
называется температурой возгонки,
или сублимации.
После этих небольших отклоне-
ний вернемся к неметаллам. Неко-
торые из них являются при нормаль-
ной температуре газами и содержат-
ся (как, например, кислород, азот и
благородные газы) в воздухе. Следует
еще назвать также газообразный и
чрезвычайно легкий элемент водород,
о котором речь еще пойдет впереди, а
также газообразные фтор, хлор и
жидкий бром. Несколько труднее
описать свойства элементов фосфо-
для этого процесса температура
газообразное
вещество
Рис. 20. Изменение агрегатных состоя-
ний веществ.
ра и углерода.
Кто не слыхал о Шерлоке Холмсе, об этом искусном сыщике, который
приводил в страх и ужас преступников всего мира? Своими исключитель-
ными успехами он был обязан своей неподражаемой способности смеши-
ваться с людьми, оставаясь неузнанным, каждый раз маскируясь в дру-
гой образ, и таким образом делать свои наблюдения, не испытывая ника-
ких помех. То можно было слышать его изрыгающим проклятия в образе
извозчика, то он сидел, переодетый в костюм прожигателя жизни в самом
аристократическом ресторане, и, наконец, его же можно было видеть в
качестве дряхлой старушки, продающей цветы на паперти церкви. Но
всегда он оставался Шерлоком Холмсом, изменяя только свой внеш-
ний вид.
Среди элементов тоже встречаются подобные «субъекты», которые мо-
гут появляться перед нами в различных «масках», например уже упомя-
нутый выше фосфор. Он появляется в виде красного фосфора, неядовитого
и неогнеопасного, с удельным весом 2,11, нерастворимого в сероуглероде.
Совершенно иными свойствами отличается белый фосфор. В чистейшей
форме он образует блестящие, совершенно бесцветные кристаллы, кото-
рые, однако, на свету быстро окрашиваются в желтоватый цвет. Он чрез-
вычайно ядовит и вследствие своей легкой воспламеняемости очень ог-
неопасен. Кроме того, он легче красного фосфора. Тот факт, что один
и тот же элемент может встречаться в различных формах с различными
4 3. Шпаусус
49
свойствами, является далеко не редким и обозначается термином аллотро-
пия. Таким образом, можно сказать, что фосфор существует в аллотропи-
ческих модификациях: он может встречаться в виде красного, белого и»
наконец, черного фосфора.
В виде двух хорошо известных модификаций встречается и углерод,
а именно, в виде алмаза и графита. Эти модификации представляют
собой две формы существования углерода с совершенно отличными друг
от друга свойствами. Алмаз является самым твердым веществом из всех
существующих: он прозрачен, как стекло, и не проводит электричест-
Рис. 21. Кристаллическая
решетка алмаза.
Рис. 22. Кристаллическая решетка
графита.
ва, в то время как графит отличается мягкостью и черным блеском и
хорошо проводит электрический ток. Этот пример особенно ясно пока-
зывает, в чем заключается причина неодинаковых свойств алмаза и гра-
фита: она заключается в отличающейся друг от друга кристаллической
структуре обоих веществ. Структурными элементами в обоих случаях
являются углеродные атомы. Но в алмазе они расположены гуще и об-
разуют плоскости решетки, характеризующейся многочисленными зуб-
цами; при таком расположении атомов их очень трудно разделить друг
от друга, и это расположение обусловливает значительную твердость
алмаза. Плоскости решетки у графита, наоборот, так далеко удалены
одна от другой, что слои атомов, расположенных по этим плоскостям,
весьма легко отделить друг от друга, ибо сдерживающие их силы ока-
зываются весьма небольшими. Это и происходит, когда мы пишем ка-
рандашом, в котором имеется графитовый стержень.
Одновременно, на примере с углеродом мы можем также на-
блюдать, что в пределах отдельных модификаций происходит переход
от металла к неметаллу. Если алмаз отличается ярко выраженными свой-
ствами неметалла, то графит по своим свойствам может быть причислен к
50
группе металлов. Такой переход можно наблюдать и у фосфора, ибо на-
ряду с уже упомянутыми двумя неметаллическими модификациями
существует еще одна темная блестящая металлическая модификация.
То же можно сказать относительно мышьяка, селена и кремния.
Итак, необходимо еще раз подчеркнуть,что красный фосфор и белый
фосфор представляют собой один и тот же элемент — фосфор. Тоже са-
мое можно сказать и относительно других элементов, способных суще-
ствовать в разных аллотропических модификациях. Хотя даже в преде-
лах отдельных модификаций одного и того же элемента физические свой-
ства в большинстве случаев оказываются очень сильно измененными и
в некоторой степени изменяются даже и химические свойства, все же
элемент как таковой остается сохранившимся. Сажа, алмаз и графит с
химической точки зрения остаются углеродом. Различия в их свойст-
вах объясняются только неодинаковой структурой этих модификаций,
различным расположением их атомов.
На этом закончим настоящую главу. Мы далеко не могли обсу-
дить затронутый вопрос исчерпывающим образом, но по крайней мере
упомянули о важнейших элементах и об их общих свойствах.
НЕ БОЙТЕСЬ ХИМИЧЕСКИХ ФОРМУЛ!
Если я задам кому-нибудь задачу сложить в уме два числа: восемь
миллионов пятьсот тридцать девять тысяч семьсот один и двести шесть-
десят три миллиона девятьсот одиннадцать тысяч триста сорок восемь,
то вряд ли получивший такую задачу сумеет ее выполнить. Простое сло-
жение обоих чисел в том виде, как они были выше обозначены, является
довольно сложной задачей и станет почти невозможной если мы еще
добавим к этим числам по нескольку цифр.
Однако эта задача станет легко выполнимой, если я выражу эти чи-
сла цифрами, запишу их в форме 8 539 701 и 263 911348 и, кроме того,
аккуратно расположу одно число под другим и затем произведу сло-
жение:
, 8 539 701
263 911 348
Теперь эта задача настолько облегчилась, что я спокойно могу ее
доверить сынку моего соседа Максику, который лишь недавно посту-
пил в начальную школу.
Для каждого совершенно ясно, что цифры не усложняют счета,
но оказывают незаменимую помощь и вообще делают возможными счет-
ные действия.
В то время как по этому вопросу нет разногласий, и у всех людей
царит полная ясность, по отношению химических знаков и формул неко-
торые люди, наоборот, испытывают большое недоверие, а подчас даже
недоброжелательство. Для некоторых лиц эти формулы представляются
4*
51
чем-то вроде китайской стены, которую химики с усердием воздвигли
для того, чтобы сделать для среднего человека проникновение в химию
почти невозможным и чтобы при этом сами они за укрытием крепостных
валов этих формул могли незаметно передвигаться без помех. Они смот-
рят на химические знаки, как на тайный язык, который сохранился от
алхимиков вплоть до наших дней. При этом они вовсе не так уже оши-
баются, ибо еще алхимики действительно пользовались такого рода
языком химических знаков, который служил им для того,чтобы держать
в тайне их «чернокнижное искусство». Они были мало заинтересованы
в том, чтобы другие смотрели в их карты, ибо ведь речь шла в большин-
стве случаев об изготовлении золота и о нахождении «камня мудрецов»,
независимо от того, стремились ли они честно и усердно к этому, или
работали с задними мыслями, преследуя мошеннические цели. Их знаки
были выбраны произвольно и происходили от представлений астро-
логов, которые верили во взаимосвязь между созвездиями и судьбой
человека. Так, например, знак О обозначал золото; знак ([ —
серебро, Л— огонь, V— воду, 2— воздух и Д — ртуть. И химические
приборы также обозначались определенными символами. Тигель,
например, имел обозначение X. Часто некоторые элементы обозначались
картинками. Так, например, золото и серебро обозначались изобра-
жениями Солнца и Луны, а ртуть — изображением Меркурия — бога
торговли. Еще поныне, говоря о солях ртути, часто обозначают их
«меркуриевыми» солями. Все эти знаки олицетворяли лишь вещество
и сосуд и часто имели неодинаковое значение.
Дальтон, с которым мы уже познакомились как с основоположни-
ком современной атомной теории, значительно усовершенствовал язык хи-
мических знаков и дал этому языку более рациональное содержание. По
его предложению знак © обозначал атом водорода, © — атом кисло-
рода, ф — атом серы, ® — атом фосфора, Q — атом азота и т. д. Воду,
как соединение водорода с кислородом, ему пришлось изобразить следую-
щим знаком 0О ’, а двуокись серы, молекула которой состоит из одно-
го атома серы и двух атомов кислорода,— знаком Оф©. Существенным
новым в способе обозначения Дальтона было то, что каждый знак уже
выражал определенное количество соответствующего элемента. Однако,
как можно заключить уже и из приведенных примеров, язык знаков,
предложенный Дальтоном, был слишком тяжеловесным для того, чтобы
его с успехом можно было внедрить в химические сочинения.
Установлением современного языка химических знаков мы обязаны
главным образом великому шведскому химику Иорнсу Якобу
Берцелиусу, который оказал громадное влияние также и на раз-
витие других областей химии. Его язык химических знаков построен
несравненно проще и логичнее. И именно вследствие своей простоты этот
1 Дальтон в то время неправильно предполагал, что в состав молекулы воды входит
один атом кислорода и только один, а не два атома водорода. (Ред.)
52
Рис. 23. И. Я. Берцелиус (1779—1848).
язык оказался принятым повсеместно по всему свету. В качестве символа
всех элементов Берцелиус избрал начальные буквы их наименований,
в большинстве случаев на латинском языке. В тех случаях, когда могли
происходить недоразумения, к. символу добавлялась еще вторая буква
из его наименования. Кислород, который по-латыни имеет название
oxigemum, получил обозначение О. При этом знак О обозначает не только*
просто кислород, но под этим знаком следует понимать один атом кисло-
рода с его атомным весом 1,6. Металл осмий (osmium), латинское назва-
ние которого также начинается с
буквы о, получил обозначение Os.
Атом серы (по-латыни sulfur) обо-
значается буквой S, а атом железа
(ferrum) записывается знаком Fe.
Буквы, служащие для обозначения
элементов, имеют тройное значе-
ние, Они, во-первых, указывают
наименование элемента, во-вторых,
обозначают один его атом,г в-треть-
их, обозначают одновременно и
атомный вес этого атома. Об
этом тройном значении нам необ-
ходимо всегда помнить и в даль-
нейшем, когда мы будем обозна-
чать вообще железо знаком Fe и
кислород — знаком О.
При желании обозначить не-
сколько атомов какого-нибудь эле-
мента, мы должны поставить перед
символом элемента соответству-
ющие цифры. Таким образом, 2S
обозначают два атома серы, а
5Fe — пять атомов железа.
В отношении произношения
этих знаков следует сказать, что
символы элементов, состоящие из
двух букв, произносятся таким образом, что каждую из двух букв про-
износят в отдельности. Символ железа произносят «эф, э».
Как мы знаем, соединения возникают благодаря тому, что атомы от-
дельных элементов сочетаются друг с другом с образованием новой еди-
ницы — молекулы. При применении языка химических формул это мы
обозначаем таким образом, что записываем рядом символы отдельных
элементов. Поэтому FeS обозначает, что один атом железа соединился
с одним атомом серы, и они образовали одну молекулу сернистого же-
леза. В полном соответствии со сказанным три молекулы сернистого же-
леза будут иметь обозначение 3FeS. Но как поступить, когда в одной мо-
лекуле содержится несколько атомов какого-нибудь элемента, напри-
53
мер в молекуле воды? В составе воды окажутся, как мы заметим, немного
забегая вперед, два атома водорода, связанные с одним атомом кислоро-
да с образованием одной молекулы воды. Это мы можем выразить,
обозначив число атомов того или иного элемента в молекуле цифрой, ко-
торая будет ставиться справа несколько ниже символа элемента. Для
воды формула будет, следовательно, иметь такой вид: Н2О. В дальней-
шем мы еще неоднократно будем иметь дело с формулами, и скоро их
значение для нас сделается ясным и привычным. Но предпосылка для
овладения ими состоит в их понимании, а ни в коем случае не в их заучи-
вании. Если еще прибавить немного упражнений и доброй воли, то все
дело с формулами утратит свой ужас.
Рассмотрим еще один пример химического уравнения
В качестве примера мы снова возьмем знакомую нам реакцию со-
единения железа с серой с образованием сернистого железа. Будучи выра-
жено словами, это уравнение гласит:
сера железо—>сернистое железо.
Эта реакция протекает таким образом, что каждый атом железа со-
единяется с одним атомом серы с образованием одной молекулы серни-
стого железа. Поэтому на языке формул этот процесс выражается так:
S+ Fe -> FeS.
Л^ы видим, что такой метод написания значительно проще и понятнее.
Как вытекает уже из самого обозначения этой реакции, на обеих сторонах
ее должно быть одинаковое число атомов одного и того же элемента.
Если бы я, например, написал:
S-j-3Fe-> FeS,
то такая запись была бы ошибочной: здесь было бы изображено неравен-
ство, с которым химик не может иметь дела. Такая запись обозначала бы,
кроме того, что во время реакции два атома железа бесследно исчезли.
Однако это противоречило бы, как далее мы еще увидим, закону сохране-
ния массы и поэтому было бы вообще невозможным.
Если мы запишем формулу соединения металлов или водорода с неме-
таллами, то символы металлов или водорода мы должны записывать перед
символами неметаллов, т. е., например, FeS, как мы это и делали выше.
Это правило не представляет собой необходимости, но оно молчаливо уста-
новлено среди химиков.
Одно обстоятельство, несомненно, должно будет обратить на себя наше
внимание. В то время как формула сернистого железа выражается путем
простого последовательного написания символов содержащихся в нем эле-
ментов при образовании воды соединяются два водородных атома с одним
атомом кислорода Как это возможно, что в молекулах атомы отдельных
элементов могут содержаться в неодинаковом числе и каким образом мы это
могли установить?
54
Для того чтобы это понять, мы должны ввести новое понятие — поня-
тие валентности или о валентном числе. Мы должны себе представить,
что атомы в молекуле сдерживаются воедино благодаря появлению сил
взаимодействия, которые называем валентными силами и проявление
которых условно будем обозначать черточкой, несколько примитивно
сравнивая эту черточку с рукой человека. В дальнейшем мы поймем, на-
сколько грубым является такое сравнение. Водород принадлежит к числу
таких элементов, которые при распределении таких «рук» были обижены
больше всех. Его атом имеет только одну «руку», только одну валентную
черточку, короче говоря, водород — одновалентен. Атомы всех тех элемен-
тов, которые могут присоединять по два водородных атома на один атом
данного элемента (например, кислород — О —), должны быть снабжены
двумя черточками. Действительно, в кислороде при образовании воды каж-
дая из его двух валентных черточек бывает насыщена одной валентной чер-
точкой водородного атома; другими словами: 2Н f- —О >Н—О—Н.
Если какой-нибудь атом имеет две валентные черточки, то он должен их
в той или иной реакции связать с двумя другими черточками. И здесь мож-
но сказать, как и в жизни людей: «Положение обязывает». Молекулы, в
которых отдельные атомы еще хоть частично проявляют свою еще нена-
сыщенную валентность, например —О—Н, являются неустойчивыми и
распадаются.
У сернистого железа дело обстоит таким образом, что как сера, так
и железо состоят из двухвалентных атомов. Поэтому если бы мы пожелали
обстоятельно записать реакцию соединения этих двух атомов, то мы долж-
ны были бы ее представить в следующем виде:
Fe= + = S-> Fe=S.
Более сложным становится дело, когда мы хотим соединить трехва-
лентный алюминий с двухвалентным кислородом. Алюминий имеет (опять
мы применим это, в некоторых отношениях, неудачное сравнение) три
«руки», а кислород, как мы уже знаем,— «две руки». Поступим так же,
как поступают в арифметике, и подберем общего знаменателя для обоих
чисел два и три; он будет равен шести. Числа, на которые мы должны по-
множить валентность обоих элементов для получения общего знаменателя,
одновременно указывают и на число атомов в молекуле. Для алюминия
этот множитель будет равен двум, а для кислорода — трем. 2x3 для алю-
миния составит число 6, а 3 х2 для кислорода также составит число 6.
Таким образом, все валентные черточки обоих элементов окажутся взаим-
но насыщенными, как это должно быть. Мы поэтому сумеем написать такое
уравнение:
/О
А1^
2Ais4*30=->О или, короче, А1а03.
55
Тот вид формул, при котором мы имеем возможность путем подобного
обозначения показать черточками все валентные соотношения атомов, по-
лучил название структурных формул или формул строения. В дальней-
шем мы их будем называть структурными формулами. Более краткие фор-
мулы обыкновенно называют эмпирическими формулами или брутто-фор-
мулами. Они кратко выражают только природу и число содержащихся в
молекуле атомов.
Таким образом, если нам известны валентности отдельных элементов,
то составление формулы или уравнения уже не составит большого труда.
Однако как раз с точки зрения валентности при этом могут возникнуть
некоторые осложнения, ибо не все элементы характеризуются определен-
ной, имеющей при всех условиях постоянное значение валентностью, но
иногда числа, выражающие валентность некоторых элементов, могут из-
меняться. Железо, например, может быть как двухвалентным, так и трех-
валентным. Еще более разнообразную валентность проявляет сера: она
может проявлять себя в качестве двухвалентного, четырехвалентного или
шестивалентного элемента. В этом случае мы уже должны руковод-
ствоваться указанием, которое определяет нам валентность серы в дан-
ном случае. В одной из дальнейших глав мы рассмотрим подробнее эти
вопросы и свяжем валентность со строением атома. Тогда этот пока
еще довольно расплывчатый вопрос приобретет для нас большую
ясность.
Хотя современный язык формул и стал довольно простым и понятным,
все же и он еще не лишен некоторых недостатков. Так, например, мы не
можем усмотреть из уравнения, должна ли в том или ином случае вообще
протекать какая-нибудь реакция, а если должна, то при каких именно
условиях. Уравнение Fe -f- S~*FeS говорит лишь о том, что атом же-
леза может соединиться с атомом серы с образованием сернистого железа,
но оно не говорит ничего о том, действительно ли эта реакция будет проте-
кать указанным образом и что существенной предпосылкой наступления
такой реакции является нагревание исходных веществ. Я могу написать,
сидя за своим письменным столом, любое число уравнений, которые с фор-
мальной стороны окажутся написанными безукоризненно. Но будут ли эти
реакции осуществляться именно так, как они написаны? Об этом можно
будет сделать заключение, лишь проделав соответствующий опыт. Равным
образом, из уравнения реакции нельзя сделать заключение о том, будет
ли эта реакция протекать экзотермически или эндотермически, как велика
будет скорость этой реакции и т. д.
Несмотря на эти недостатки наших формул и уравнений, язык фор-
мул, разработанный Берцелиусом, сделался важным орудием химиков и
оказал значительное содействие быстрому развитию химии.
И все же были предприняты многие попытки в самое последнее время
разработать новый и более совершенный язык химических знаков. Однако
уже один тот факт, что в химии по сие время, как и раньше, пользуются
все теми же первоначальными обозначениями, дает определенный ответ
относительно исхода этих попыток.
56
Некоторый возврат к мистическим рисункам алхимиков мы находим
в появившейся в 1935 году книге «Введение в химию», принадлежащей
автору и выпущенной издателем, об именах которых мы предпочитаем
умолчать. Автор этого сочинения является горячим сторонником наглядных
обозначений и присваивает каждому элементу красивый символ, как это
видно из приводимых ниже примеров:
обозначает водород,
— кислород,
— серу и
— азот. До сих пор эти символы имеют еще относительно скром-
ный характер, но дальнейшие уже проявляют некоторое художественное
воображение. Так, символ
обозначает атом серебра,
атом меди, недурен также символ
цинка.
Менее живописными становятся картины, которые должны сочетать
эти элементы с образованием соединений. Скромно и просто выглядит
символ воды 4 О , значительно живописнее похожий на пропеллер
символ кварца
, а символ нефти напоминает куриный насест
1
I
. При этом следует заметить, что нефть
вообще представляет собой смесь различнейших веществ, которые при ее
разгонке могут быть более или менее полно разделены друг от друга, и что
изобретатель этих символов является первым и последним автором,
который приписывает нефти однозначную формулу. Весьма симпатичную
картинку представляет символ пестрой медной руды @
киноварь обнаруживает в своей «формуле» некоторую «дина-
мику», а символ мышьякового колчедана мог бы вызвать
57
радостное воодушевление у какого-нибудь художника формалиста. И в
заключение приведем еще путаную мешанину при начертании символа
натриевой слюды:
. Это уже называется чересчур злоупо-
треблять наглядностью. По сравнению с такими обозначениями трудно-
сти китайского иероглифического письма представляются детской иг-
рушкой.
Поэтому останемся лучше при нашем старом и оправдавшем себя язы-
ке химических знаков. Будем надеяться, что он сделается для нас тем, чем
он и должен быть,— помощником при проникновении в царство химии.
«ВОЗДУШНАЯ ГЛАВА»
Людям свойственно уделять ближайшее свое внимание либо тому,
в чем они испытывают недостаток, либо чему-нибудь такому, что представ-
ляет для них новизну. Что же касается тех вещей, которые имеются в изо-
билии или которые являются для всех издавна известными, то такие вещи
люди считают очевидными и рассматривают их как будничную «повседнев-
ность», которая уже не представляет никакого интереса. Так дело обстоит
для нас и с водой, которая уже с детства имеется в нашем распоряжении в
неограниченном количестве. Достаточно нам отвернуть кран водопровода,
и уже из него польется вода. Поэтому-то вода и потеряла для нас особый
интерес. Как жители далеких от моря областей, мы разве только во вре-
мя каникул можем помечтать о поездке к морю, так же как житель морского
побережья будет мечтать о восхождении на горы. Но когда в один пре-
красный день мы открываем водопроводный кран и вода вследствие порчи
водопровода или засухи не льется из крана, то у нас уже возникают
мысли о происхождении запаса воды и о значении водоснабжения. Если же
мы окажемся в течение многих дней в пустыне без капли воды, то все уже
наши мысли и желания будут вращаться только вокруг драгоценной влаги,
которая нам будет в этих условиях казаться самым важным и интересным
веществом.
По отношению к веществу, которое все время нас окружает, которое
бесцветно, прозрачно, не имеет вкуса, как это можно сказать про воздух,
все сказанное выше окажется справедливым в еще большей степени. Когда
мы ощущаем присутствие воздуха? Собственно говоря, только тогда, ко-
гда мы находимся в быстро мчащемся открытом автомобиле или когда ощу-
щаем порывы сильного ветра или бури. В этих условиях мы можем почув-
ствовать по давлению и по силе, проявляемым воздухом, его существо-
вание как материального вещества, но этим дело и ограничивается. Мы
58
легко забываем это действие, оказанное воздухом на наше тело, и про-
должаем рассматривать воздух как «ничто».
Что это «ничто» может срывать крыши с домов, перегонять парусные
суда и что это «ничто» является предпосылкой для авиации, да, наконец,
что этот воздух вообще делает возможной нашу жизнь, —все это обычно не
доходит до нашего сознания. Между тем в технике инженер должен счи-
таться со свойствами воздуха в качестве вещества, и с химической точки
зрения воздух является одним из наших важнейших исходных продуктов
и прямо или косвенно принимает участие в очень многих процессах.
Существование воздуха известно уже с древних времен. Уже грече-
ские натурфилософы понимали, что окружающее нас пространство не мо-
жет быть пустым, но должно быть заполнено летучим «эфирным» вещест-
вом, которое делает возможной нашу жизнь и проявляет сопротивление по
отношению к движущимся телам, а также само, приходя в движение, прояв-
ляет действие значительных сил. По воззрениям Анаксимена, воз-
дух даже представлял собой начало всех вещей, элемент, из которого путем
сгущения или разбавления произошли все другие вещества. Позднее воз-
дух встречается среди четырех элементов Эмпедокла, причем под
термином «элемент» следует иметь в виду не современное понятие об эле-
менте, но скорее материальное начало, в данном случае летучесть и легко-
подвижность. Прозрачность и легкий вес, а также газообразное агрегатное
состояние были причиной того, что вплоть до средних веков воздух в луч-
шем случае исследовался как газообразное тело, но относительно его со-
става почти ничего не было известно, и его рассматривали как однородное
вещество. Было известно, что воздух играет существенную роль в процессе
горения, однако объяснение этого факта было ошибочным.
Во второй половине XVIII века был открыт азот в качестве состав-
ной части воздуха Резерфордом и Шееле. Шееле удалось
также одновременно с Пристли и независимо от него установить при
нагревании селитры выделение газа, который, как и воздух, поддерживал
горение, но только в усиленной степени. Этот «огненный воздух», или «жиз-
ненный воздух», содержался также в обыкновенном воздухе и был впо-
следствии назван французским химиком Лавуазье оксигеном, что
в переводе на русский язык означает «кислород», т. е. «образователь
кислот». Он был назван так потому, что по господствовавшим тогда
воззрениям был совершенно необходим для образования кислот. Кро-
потливой и тщательной работой в течение последующих лет были собраны,
крупица за крупицей, наши знания относительно воздуха, так что в на-
стоящее время в этой области мы уже не можем встретить ничего неожи-
данного.
Точный состав воздуха, выраженный в объемных процентах, опреде-
ляется следующими числами: азота 78,08%, кислорода 20,95%, благо-
родных газов 0,94%, двуокиси углерода 0,03%. Разумеется, эти данные
характеризуют состав «идеального воздуха». В действительности эти про-
центные числа могут в незначительной степени испытывать изменения.
Воздух в переполненном зале характеризуется несколько иным составом,
59
чем лесной воздух. Некоторые различия обнаруживает воздух на очень
больших высотах, например, в том смысле, что содержание более тяжелого
кислорода (1 л кислорода весит 1,429 г) буде? по мере удаления от поверх-
ности земли уменьшаться в пользу увеличения содержания азота
(1 л азота весит 1,251 г).
Еще несколько слов относительно составных частей воздуха. Ввиду
того что воздух бесцветен, не имеет запаха и вкуса, все его составные
части также должны отличаться такими же свойствами. О кислороде нам
нет необходимости особенно распространяться. Мы его будем очень часто
встречать в последующем изложении и сумеем тогда установить, что он
играет в природе и технике весьма существенную роль. На 50% из него
состоит знакомая нам часть земной коры, и, таким образом, он распростра-
нен в природе в гораздо большем количестве, чем каждый другой элемент.
Кислород встречается везде как в виде свободного элемента, так и в виде
многочисленных соединений с другими элементами. В связи со своей зна-
чительной реакционной способностью он принимает участие во многих про-
цессах природы и во многих технических процессах. Все процессы
горения, окисления и дыхание всех живых существ протекают с его
участием.
В чистом виде он, разумеется, действует энергичнее, чем в виде со-
ставной части воздуха, в котором «разбавлен» азотом. Процессы горе-
ния в атмосфере чистого кислорода протекают также энергичнее и быстрее,
и образующаяся при этом теплота выделяется в течение более короткого
времени. При пропускании в пламя газовой горелки чистого кислорода
это пламя становится значительно горячее и может быть применено для
сварки и резания металлов, что и используется при автогенной сварке.
Азот, наоборот, значительно менее активный элемент. По сравнению
с кислородом он является его противоположностью, т. е. отличается край-
не слабой реакционной способностью и как бы служит лишь для того,
чтобы «разбавлять» кислород и умерять огненный темперамент своего
спутника по содержанию в воздухе. Однако действительно ли азот уже
так мало реакционно способен? Вспомним о том, что мы говорили относи-
тельно его валентности. Согласно сказанному каждый атом этого эле-
мента может проявлять одну или несколько валентных единиц, которье
он стремится возможно скорее насытить. Ввиду того что азот является
трехвалентным, каждый его атом имеет три единицы валентности, в то
время как каждый атом кислорода располагает лишь двумя единицами
сродства. Что же произойдет, если атомы кислорода или атомы азота бу-
дут смешаны в газообразном состоянии в чистом виде, не имея никаких
других примесей? И в этом случае каждый атом будет стремиться каким-
нибудь путем и поскорее насытить свои свободные единицы сродства, свои
«руки», путем взаимодействия с какими-нибудь другими атомами. Но в
том случае, если никаких иных атомов в наличии не будет, но будут при-
сутствовать, как в данном случае, атомы одного только элемента, то таким
атомам не останется ничего другого, как соединиться с себе подобными
атомами того же элемента. При этом один атом азота соединится с другим
60
атомом азота, а один атом кислорода — с другим атомом кислорода. В ре-
зультате такого соединения образуются молекулы азота и молекулы ки-
слорода:
N= +=N->N=N и
О- + -О^О-О.
Однако это означает не более и не менее того, что эти газы состоят из
молекул, которые в свою очередь содержат по два одинаковых атома. Это
так и есть на самом деле, почему в будущем мы будем обозначать азот фор-
мулой N2, а кислород — формулой О2. То же самое можно сказать и от-
носительно большинства других элементарных газов, как водород, хлор
ит. п., которые также встречаются в молекулярной форме, И если кисло-
род должен соединиться с каким-нибудь другим элементом, то он сначала
должен отделить каждый свой атом от связанного с ним другого атома,
и только после этого появятся свободные единицы сродства. Ввиду того
что молекулы кислорода сравнительно легко расщепляются на атомы, он
и должен считаться весьма реакционно способным элементом.
Иначе обстоит дело с азотом. В этом случае оба атома одной моле-
кулы тесно связаны друг с другом, как добрые братья, и могут быть
разделены только путем применения значительной силы, значительной
энергии. По этой причине азот кажется нам обладающим весьма малой
реакционной способностью, хотя в действительности, строго говоря, имеет
место как раз противоположное. Именно потому, что он легко вступает в
реакции и проявляет большое сродство одних своих атомов по отношению
к другим, его трудно заставить вступить в реакцию с другими элементами.
Ведь он уже вступил в химическую реакцию и образовал при этом очень
устойчивые молекулы.
В отношении получения газов следует сказать, что азот в чистом ви-
де получают, удаляя легкореагирующий кислород из воздуха путем свя-
зывания этого кислорода с другими веществами. Таким путем и получают
азот в больших количествах в технике. Труднее обстоит дело с кислородом.
При попытке удалить химическим путем из воздуха азот можно заранее
предсказать с уверенностью, что в первую очередь будет вступать в соеди-
нение кислород, так что в конце концов в остатке всегда будет находиться
азот. Однако существуют соединения, которые содержат кислород, связан-
ный сравнительно непрочно, и при нагревании они легко выделяют его
обратно в свободном виде, как например окись ртути HgO, бертолетова
соль КС1О3 и другие соединения, из которых в небольших количествах
можно получать кислород. Если мы будем разлагать воду — соединение
кислорода с водородом — действием электрического тока, то ток разла-
гает ее на составляющие элементы, и при этом также выделяется ки-
слород в свободном виде. Однако все эти методы слишком дороги и поэтому
не могут быть использованы для промышленных целей. Наоборот, сжиже-
ние воздуха дает нам метод получать в отдельности кислород, а также
и азот в неограниченных количествах и по довольно дешевой цене. Об этом
еще речь будет впереди.
61
Наряду с обеими упомянутыми главными составными частями в воз-
духе содержатся еще 0,03% двуокиси углерода СОг, соединения углерода
с кислородом. Несмотря на малое процентное содержание, присутствие
двуокиси углерода в воздухе представляет исключительное значение для
всей жизни на Земле, да, кроме того, и вообще для важнейших процессов
в неорганической природе. Двуокись углерода образуется везде там, где
горит огонь, где кислород соединяется с органическим веществом. Медлен-
ная форма горения протекает в организме, почему выдыхаемый воздух со-
держит более 0,03% двуокиси углерода, и при этом процессе потребляется
кислород. Ввиду того что на Земле уже с давних пор горят многочислен-
ные и громадные огни и, кроме того, при дыхании всех живых существ
производится двуокись углерода, можно было бы допустить, что содержа-
ние двуокиси углерода в воздухе повышается и что в той же мере пони-
жается содержание в воздухе кислорода. Однако этого доказать не уда-
лось. Следовательно, должен происходить где-нибудь противоположный
процесс, при котором двуокись углерода должна потребляться и одновре-
менно кислород снова выделяться в свободном виде. В этом процессе ре-
шающую роль играют растения. Они нуждаются в не имеющей для нас ни-
какой цены и даже вредной для нас двуокиси углерода, которую они в
процессе ассимиляции используют вместе с водой для построения необхо-
димых для их организма веществ. Произрастание растений, следователь-
но, связано с содержанием двуокиси углерода в воздухе. При повышении
этого содержания в воздухе растительность может развиваться более уси-
ленно, благодаря чему может наступать выравнивание этих противополож-
ных процессов.
Будучи растворена в жидкостях, двуокись углерода придает этим
жидкостям освежающий вкус. Она содержится поэтому под давлением в
пиве и в шипучих напитках, из которых при откупоривании бутылок
частично выделяется в свободном виде и обусловливает образование пу-
зырьков и пены.
Кроме азота, кислорода и небольших количеств двуокиси углерода,
в воздухе содержатся благородные газы, своего рода «одиночки» среди эле-
ментов. Их открытие представляет собой типичный пример того, как чи-
сто теоретическая, не связанная с какой-либо практической целью иссле-
довательская работа может повести к результатам, имеющим не только
громадное научное значение, но и большое значение в техническом и хо-
зяйственном отношениях.
В 1892 году лорд Рэлей исследовал различные газы, как азот,
водород, и при этом производил также и определения их плотностей или
удельных весов. При этом он сделал наблюдение, которое само по себе, на
первый взгляд, вообще не содержало ничего поразительного и которое,
может быть, кто-нибудь другой мог бы и недосмотреть или признать слу-
чайным. Азот, полученный им из атмосферного воздуха путем поглощения
из воздуха кислорода, обнаруживал несколько большую плотность по>
сравнению с плотностью азота, полученного при разложении азотистых
соединений. Рэлей был настолько твердо уверен в точности и правиль-
6?
ности выполненных им измерений плотности, что он не мог приписать этих
расхождений погрешности опыта. Здесь должна была существовать другая
причина, которая коренилась в самих веществах. Рамзай, которому
Рэлей рассказал об этих результатах, высказал предположение, что более
значительная плотность воздушного азота указывает на присутствие в
воздухе еще какого-то неизвестного газа с большей плотностью Совмест-
но они оба предприняли исследование этого вопроса и обнаружили новый
элемент, которому они дали имя аргона — «недеятельного» газа. Ибо, как
оказалось, этот элемент не удавалось никаким путем заставить вступить
в химическое взаимодействие с каким бы то ни было другим элементом.
Эта полнейшая химическая инертность оказалась, как выяснилось впо-
следствии, превосходнейшим признаком благородных газов. Они столь
благородны, что не могут соединяться даже сами с собой, как мы это зна-
ем в отношении других газов; поэтому эти газы состоят не из молекул, а из
отдельных атомов, которые в этом случае и являются сами их молекулами.
Уже через относительно короткое время удалось открыть и другие благо-
родные газы. В этом отношении громадную роль сыграл открытый Бун-
зеном и Кирхгофом спектральный анализ. Дело в том, что при
приведении элементов путем действия на них значительных количеств
энергии в возбужденное состояние (лучше всего этого можно достигнуть
при приложениях к ним электрического напряжения) эти элементы излуча-
ют свет, характеризующийся определенными длинами волн, т. е. имеющий
определенную окраску. Этот свет расщепляется в спектральном аппарате
(спектроскопе), главной частью которого является стеклянная или квар-
цевая призма. При этом образуется полоса, состоящая из отдельных линий,
каждая из которых является характерной для определенного элемента.
Уже раньше было известно, что минерал клевеит при его нагревании
выделяет газ, похожий на азот. Этот газ при его исследовании с помощью
спектроскопа оказался новым, еще не известным благородным газом. При
электрическом возбуждении он испускал линии, которые уже раньше были
обнаружены при анализе лучей Солнца с помощью спектроскопа. Это
был своеобразный случай, когда элемент, открытый ранее на Солнце, был
обнаружен Рамзаем и на Земле. Ему было присвоено название гелий, по
греческому слову «гелиос»—Солнце. Ввиду того что сжижение воздуха
позволило концентрировать содержащиеся в воздухе благородные газы,
Рамзаю удалось в течение короткого срока обнаружить в воздухе присут-
ствие еще двух элементов— криптона (по-гречески «криптос — скрытый) и
неона (по-гречески «неос» — новый). Следует еще добавить, что обозначе-
ние последнего элемента было ему дано двенадцатилетним сыном Рамзая,
который при рассматривании роскошного красного цвета находящегося
под действием электрического напряжения газа предложил дать этому бе-
зымянному элементу наименование «новый», т. е. неон. Наконец, был от-
крыт еще один благородный газ — эманация, которая образуется в ка-
честве промежуточного продукта при расщеплении радия. В настоящее
время этот газ получил название радона, что имеет своей целью подчерк-
нуть его тесную связь с радием. В качестве последнего члена группы бла-
63
городных газов Рамзай обнаружил присутствие в воздухе ксенона («ксенос»
по-гречески — чуждый). Этот газ ввиду его очень ничтожного содержания
в атмосфере оставался очень долго скрытым от внимания исследователей.
В воздухе содержится около 1 % благородных газов, из которых
главная доля принадлежит аргону. Точнее говоря, в 100 л воздуха со-
держится 932 см3 аргона, 1,5 см3 неона, 0,5 см3 гелия, 0,11 см3 криптона
и 0,008 см3 ксенона.
Наряду с тем, что благородные газы содержатся в атмосфере, были
найдены еще и другие их источники, довольно богатые по их содержанию.
Так, например, некоторые минеральные воды содержат радон, обуслов-
ливающий целительное действие радиоактивных вод. Гелий непрерывно
выделяется, в особенности во многих местах Северной Америки, в боль-
Рис 24. Электрические лампочки: наполненная
аргоном (слева) и пустотная (справа).
шом количестве из недр Зем-
ли. Громадные количества ге-
лия обнаружены в атмосфере
Солнца, где они играют зна-
чительную роль в балансе
энергии. То же самое можно
сказать и относительно газо-
образных туманностей и мно-
гих неподвижных звезд.
Гелий применяют в каче-
стве наполняющего газа аэро-
статов. При этом он имеет
большое преимущество перед
водородом в том отношении,
что не является горючим га-
зом. Ради этого выгодного
его преимущества не прини-
мают в расчет и того обстоятельства, что он почти вдвое тяжелее,
чем водород, и что поэтому он может проявить лишь половину той подъ-
емной силы, которую при равном объеме проявляет водород. Вслед-
ствие его низкой точки кипения (—269°С) он применяется для достижения
самой низкой температуры. Неон служит, чаще всего в смеси с гелием,
в качестве газа для наполнения светящихся трубок, которые под назва-
нием неоновых трубок находят все возрастающее применение. Аргон в
смеси приблизительно с 15% азота применяется для наполнения лампочек
накаливания. Для этой цели недавно начали применять также и криптон.
Понятно, что тонкая нить накала при высоких температурах тотчас же
перегорела бы, если бы лампочки накаливания были наполнены возду-
хом. Даже откачивание газа из лампочки еще не составило бы идеального
решения этой задачи. Вследствие нагрева до высокой температуры атомы
нити накала приобретают очень значительное количество энергии и по-
этому они приходят в энергичное движение. В особенности атомы, находя-
щиеся на поверхности, приходят в столь энергичное движение, что они
отскакивают от нити и осаждаются на противоположной стеклянной
64
стенке, благодаря чему, во-первых, лампочка становится более тусклой,
а, во-вторых, нить накала делается все более и более тонкой и, наконец,
перегорает. Если же внутри лампочки накаливания находятся частицы
индифферентного газа — азота или, еще лучше, аргона, то эти газы бу-
дут оказывать при испарении атомов металлов некоторое сопротивление
и тем самым удлинять время действия нити, а следовательно, и лампоч-
ки. Для группы людей, находящейся без сопровождающих лиц, будет
легче освободиться и рассеяться по всем направлениям, чем в том случае,
когда та же группа людей будет находиться в окружении толпы народа.
Наряду с этими составными частями воздуха, находящимися в нем
всегда в одинаковом количественном отношении, воздух содержит еще
пары воды, содержание которых в условиях нашего климата колеблется
между 0 и 3% и обусловливает атмосферные осадки: дождь, туман, росу,
град, снег и облака, которые определяют своим присутствием погоду.
Уже неоднократно мы говорили о сжижении воздуха. Мы привыкли
всегда мыслить о воздухе как о смеси газов, поэтому с трудом можем
себе представлять воздух в жидком виде. Однако при ближайшем рас-
смотрении это дело разъясняется. Ведь агрегатное состояние какого-ни-
будь вещества не является для него типичным признаком, но зависит
от температуры и давления. Поэтому газ при понижении температуры
будет все более и более приближаться к точке конденсации или к точке
кипения (ведь обе эти точки являются общими); при определенной темпе-
ратуре он перейдет в жидкое состояние и, наконец, даже затвердеет.
Если я буду слишком сильно охлаждать воздух, то сумею получить его
в жидком состоянии. Это ясно. Более сложным является вопрос, как до-
стигнуть такой низкой температуры. Холодильные смеси могут давать
охлаждение до минус 40°С, но для сжижения воздуха должна быть
достигнута гораздо более низкая температура. В первый раз столь низкую
температуру получил инженер Линде, который и сделал, таким обра-
зом, осуществимой задачу сжижения воздуха. Он воспользовался сле-
дующим принципом. Если мы сожмем какой-нибудь газ, например
воздух, то к этому газу будет при этом добавлена энергия, которая и
проявится в том, что газ разогреется. Каждый знает этот эффект по вело-
сипедному насосу, который при длительном его действии довольно
сильно разогревается. С другой стороны, когда мы сжатый газ расши-
ряем, то предоставляем его молекулам возможность занять большее про-
странство. Ввиду того что между молекулами действуют определенные
силы притяжения, так называемые силы В а н-д е р-В а а л ь с а, газ
для преодоления этих сил должен будет затратить работу. Необходимую
для этого энергию он должен почерпнуть из самого себя, т. е. должен
охладиться при своем расширении. Достигнутое при понижении темпе-
ратуры охлаждение не очень велико и его далеко не хватит для сжижения
воздуха. При сжатии воздуха, имеющего температуру 16°, до давления
в 65 атмосфер и при последующем расширении его до давления в одну
атмосферу он охладится на 17°С, и поэтому температура его сделается
равной минус ГС. Линде сделал на основании этого следующий вывод:
5 3. Шпаусус
65
ние температуры на
ж Стеклянная
стенка
Серебряное
зеркало
понижение температуры при расширении газа невелико. Однако если
охлажденный таким образом воздух будет использован для предваритель-
ного охлаждения другой порции воздуха, которая после этого будет
подвергнута вторичному процессу расширения, то при этом уже будут
достигнуты более благоприятные условия. Расширению теперь будет под-
вергаться нетеплый воздух, нагретый до 16°С, но такой воздух, который
перед тем был охлажден до минус 1 °. При работе с подобными же соотно-
шениями давления, как и ранее, наступит, следовательно, снова пониже-
17°, и воздух теперь уже будет охлажден до темпера-
туры минус 18°. Эта низкая температура будет
снова использована для предварительного охлаж-
дения подвергшегося вновь сжатию воздуха. Вся
система будет построена таким образом, что будет
обеспечен непрерывный процесс. Таким путем мы
получим машину для сжижения воздуха, в кото-
рой можно достигнуть необходимых низких тем-
ператур.
Опыты с жидким воздухом очень эффектны и
никогда не оказываются неудавшимися. Каждый
должен, собственно говоря, видеть такие опыты,
ибо они трудно поддаются описанию словами. Жид-
кий воздух — это выражение, которое состоит из
двух противоречивых понятий и хотя бы по
этому одному интересует нас. Он сохраняется пе-
ред нами в так называемом сосуде Дьюара, своего
рода термосном сосуде, у которого имеются
двойные стенки, причем заключенное между эти-
ми стенками пространство эвакуировано. Это делается для того, чтобы
в значительной мере предотвратить теплообмен с окружающей средой,
ибо жидкий воздух находится в комнате, в которой температура значи-
тельно превосходит температуру его кипения. Однако в связи с тем, что
воздух в термосном сосуде хорошо изолирован и вынужден черпать те-
плоту своего испарения из самого себя и при этом охлаждаться, он мо-
жет сохраняться в таком сосуде даже в течение целого дня. Разумеется,
этот сосуд нельзя закрывать, ибо непрерывно из горлышка сосуда
поднимается тонкий белый «воздушный туман», подобный тому, который
мы наблюдаем в кухне над сосудом с кипящей водой.
Температура жидкого воздуха не является постоянной, но колеб-
лется между минус 196°C и минус 183°C. Это объясняется тем, что воз-
дух представляет собой не соединение главных его составных частей —
азота и кислорода, но их смесь. Ввиду того что кислород имеет более вы-
сокую точку кипения (—183°С), чем азот (—196°С), из жидкого воздуха
сначала будет испаряться азот, благодаря чему он будет обогащаться ки-
слородом, а температура его кипения повышаться до минус 183°С. Это
обогащение кислородом обнаруживается также и по цвету. Жидкий азот —
бесцветен, а жидкий кислород имеет голубой цвет.
66
-Вакуум
Рис 25 Сосуд Дьюара.
Возьмем сосуд в руки и слегка встряхнем его. Внутри будет пле-
скаться жидкий воздух, как будто бы в сосуде находилась чистая вода.
Попробуем вылить немного жидкого воздуха в сосуд с водой. Тотчас же
установится теплообмен между жидким воздухом и водой. Воздух начнет
бурно кипеть. Сначала он всплывет на поверхность воды, а затем начнет
медленно погружаться, причем его окраска будет переходить в голубую,
что будет являться признаком того, что он обогащается кислородом. О том
же будет свидетельствовать и его погружение в воду. В противополож-
ность жидкому воздуху, жидкий кислород тяжелее воды. От самой воды
воздух при его бурном кипении будет отнимать значительное количество
тепла, она будет очень сильно охлаждаться и может замерзнуть с обра-
зованием льда.
Очень любопытные явления наблюдаются при погружении различ-
ных материалов в жидкий воздух. Благодаря сильному охлаждению они
могут приобрести совершенно новые свойства. Свежие растения становят-
ся вследствие замерзания содержащейся в них влаги твердыми и хруп-
кими и разлетаются при ударе, как стекло. То же самое происходит и с
резиной, которая после этого может быть разбита молотком на мелкие
остроконечные осколки. Свинец, который обычно отличается мягкостью,
также затвердевает, и изготовленный из него колокольчик издает при
ударе металлический звон. Желтая сера изменяет свою окраску и стано-
вится в жидком воздухе бесцветной.
Смеси жидкого кислорода (образующегося при долгом стоянии жид-
кого воздуха) с горючими веществами, как например с угольным по-
рошком, представляют собой чрезвычайно сильные взрывчатые вещества.
Их взрывчатое действие объясняется тем, что этот концентрированный
кислород обусловливает весьма быстрое сгорание, благодаря чему сразу
выделяется значительное количество теплоты, которая в кратчайшее
время расширяет образующиеся при горении газы. Такие взрывчатые
вещества под названием оксиликвита часто применяются в горном деле
и имеют то преимущество, что в случае неудавшегося взрыва жидкий ки-
слород через некоторое время испаряется и вместе с тем исчезает и
взрывчатая способность смеси. Поэтому невозможны и несчастья, обу-
словленные неожиданным замедленным взрывом вещества при первона-
чальной неудаче этого взрыва.
На этом мы можем закончить эту главу.
БЕСЕДА О СВЕЧЕ
Я и мой друг сидели у камина. Мы любили такие часы. Какое-то осо-
бое наслаждение мы испытываем, когда смотрим на вспыхивающее пламя,
слушаем треск горящих дров и отдаемся во власть наших мыслей. Рядом
с нами на столике стояла горящая свеча, при помощи которой мы время
от времени закуривали наши папиросы и свет которой вместе с неспо-
койным отблеском пылавшего в камине огня боролся с темнотой, царившей
в комнате.
5*
67
«Собственно говоря, такая свечка является небольшим „чудом"»,—
прервал молчание мой собеседник.
«Да, ты прав. Ежедневно мы имеем дело с этой свечкой, и она для нас
представляет столь обыденную, знакомую нам вещь, что мы никогда не
даем себе труда подумать о ней. А между тем это стоило бы сделать. С го-
рящей свечой ассоциируется множество химических и физических вопро-
сов, и один из самых выдающихся естествоиспытателей англичанин М и-
хаил Фарадей не счел делом слишком мелким для своего достоин-
ства прочитать перед кружком своих молодых слушателей цикл популяр-
ных лекций на тему об «Истории свечи». Он настолько серьезно отнесся к
этой своей задаче и с такой любовью и усердием осуществил ее, что эти
лекции могут нам служить примером. Они показывают, что наука может
всегда стать вполне понятной для большинства людей. Его лекции сохра-
нились и поныне и были много раз переизданы. Они ничего не потеряли
и теперь в отношении правильности и свежести своего содержания, не-
смотря на то, что со времени их появления в свет уже протекло столетие.
Для естествознания, которое как раз в последнее время испытывает бур-
ное развитие, этот факт является очень показательным».
«Ах да, я и позабыл, что ты химик и что тебе эти вещи представ-
ляются в другом свете, чем другим. Однако в данную минуту для нас
представляется весьма подходящая возможность побеседовать на эту
тему».
«С чего же нам начать? Может быть, с того, что нам следовало бы
внести ясность в вопрос о сущности процесса горения? Как ты, вероятно,
помнишь еще со школьного времени, видимое горение является лишь
внешним проявлением химического процесса...»
«...при котором кислород воздуха соединяется с горючим веществом.
Такой процесс называется окислением»,— перебил меня мой приятель.
«Совершенно верно! Соединение кислорода с другим веществом назы-
вают окислением. Однако мы сейчас же заметим, что не всякое окисление
непременно должно сопровождаться появлением пламени и не всегда оно
представляет собой горение. Если мы называем горением процесс, при
котором появляется огонь, то это должно лишь обозначать, что такое
окисление протекает очень быстро и что поэтому в данном случае тепло-
вая энергия выделяется в течение короткого промежутка времени. На-
оборот, существует значительное число случаев окисления, которые
мы в указанном смысле не можем называть процессами горения, ибо они
протекают столь медленно, что остаются незамеченными нашими органами
чувств. Лишь по прошествии определенного, часто весьма продолжитель-
ного времени мы можем уловить продукты окисления или, соответствен-
но, исчезновение испытывающего окислительный процесс вещества, если
этот продукт окисления является газообразным. Так, например, обстоит
дело при весьма медленном окислении металлов или при процессах
гниения».
«Под окислением металлов, ты, вероятно, имел в виду ржавление
железа?»
68
«Не совсем так. Окислением называется такое соединение какого-
нибудь вещества с кислородом, при котором образуются более богатые
кислородом продукты — окислы. Схематически эти процессы можно
выразить следующим образом:
г, , окисление ,
Вещество + кислород-----------► продукты окисления (например,
окислы) 4- энергия (теплота).
При ржавлении же еще играет существенную роль и вода. Мы знаем,
что гвоздь будет покрываться слоем ржавчины во влажном воздухе
гораздо скорее, чем в сухом воздухе. Таким образом, ржавчина представ-
ляет собой не окись железа, а гидрат окисла, соединение железа с кисло-
родом и с водой. Иначе обстоит дело с железными прутьями в нашей печ-
ке. Эти прутья поддаются действию кислорода, правда, медленно, но
вследствие высокой температуры все же быстрее, чем на воздухе. Однако
слой окисла отскакивает; в результате этого прутья становятся все
тоньше и тоньше и в один прекрасный день они сделаются совершенно
непригодными».
«А при медленном окислении металлов и других веществ также вы-
деляется теплота?»
«Разумеется, и при медленном окислении выделяется теплота, но это
выделение вследствие продолжительности процесса протекает настолько
медленно, что в некоторых случаях уже не может быть зарегистриро-
вано самыми точными измерительными приборами. Однако сгорит ли
кусок дерева быстро, или он подвергнется медленному окислению на воз-
духе в течение многих лет, все равно в обоих случаях при этом выделит-
ся одинаковое количество теплоты. В первом случае эта теплота распре-
делится на время, равное нескольким минутам, и, разумеется, ее прояв-
ление будет более явным, чем в том случае, когда она будет выделяться
в течение долгого времени. Одним ведром угля мне удастся в течение од-
ного дня очень хорошо согревать мою комнату, но то же самое количество
угля не сможет заметно нагревать ту же комнату в течение года. В обоих
случаях будет сожжено одно ведро угля и выделится одинаковое коли-
чество теплоты, которое, однако, во втором случае распределится на
365 дней».
«Теперь это для меня ясно. Но все ли вещества окисляются кисло-
родом?»
«На этот вопрос нельзя просто ответить «да» или «нет», без разъяс-
нения. Целый ряд веществ, например фосфор, обнаруживает столь зна-
чительное сродство к кислороду, что они уже при комнатной температу-
ре соединяются с ним без нашего участия и поэтому являются крайне
огнеопасными.
В отношении многих других веществ дело обстоит так, что мы долж-
ны лишь позаботиться о достижении определенной начальной темпера-
туры для того, чтобы вообще могла начаться и протекать с измеримой
скоростью реакция окисления. Повышение температуры всегда влечет
за собой и повышение скорости реакции, или даже оно часто вообще де-
69
лает возможным течение этой реакции. При этом замечено эмпирическое
правило, что повышение температуры на 10° обусловливает удвоение
скорости реакции. Однако существуют и такие вещества, которые ни в
каком случае не соединяются с кислородом и как бы предпочитают всегда
оставаться одинокими. Наконец, я могу еще упомянуть о благородных
металлах — золоте, серебре и платине, которые мы можем долго и сильно
нагревать, но при этом все же они не подвергнутся никаким изменениям.
Следует еще хотя бы только упомянуть о таких веществах, которые пред-
ставляют собой соединения двух или большего числа элементов и на ко-
торые вследствие их очень большого сродства друг к другу кислород не
может оказывать никакого действия. Рассмотрим, наконец, те условия, ко-
торые являются необходимыми для того, чтобы могло осуществляться го-
рение».
Рис. 26. Взаимодействие паров воды с металлическим магнием
(в порошке).
«Для этого, во-первых, должно иметься в наличии горючее вещество?»
«Совершенно верно: это является первой предпосылкой. Однако это-
го еще недостаточно. Должен еще быть в наличии и кислород или дру-
гое вещество, которое легко отдает содержащийся в нем кислород, не-
обходимый для осуществления окислительного процесса. Дело в том, что
вовсе не требуется, чтобы кислород присутствовал в элементарной форме.
Если мы будем пропускать без доступа воздуха над порошком магния при
сильном нагревании водяной пар, то магний будет и в этом случае окис-
ляться, но уже не кислородом, а водой; эта реакция будет сопровож-
даться сильным накаливанием и образованием окиси магния, а водород
будет выделяться в свободном виде. В виде химического уравнения этот
процесс можно записать следующим образом:
Mg + Н2О -> MgO+Н2+ энергия (теплота).
Здесь магний обнаруживает более сильное сродство к кислороду, чем во-
дород, почему последний и теряет своего товарища по соединению, а вода
таким путем подвергается восстановлению».
«Восстановлению?»
70
«Ах да, я совсем позабыл тебе это объяснить. Итак, слово «восста-
новление» происходит от глагола «восстанавливать», т. е. «обратно воз-
вращать». В химии этот термин имеет смысл возвращения вещества из
его окисла в прежнее состояние, т. е. действия, обратного по сравнению с
окислением. Окисел благодаря отнятию от него кислорода испытывает
восстановление и, таким образом, возвращается снова к исходному
веществу.
Разумеется, при этом должно существовать что-то такое, что отнимает
от окисла содержащийся в нем кислород. Это вещество в нашем примере —
магний, и он-то и будет восстановителем или восстанавливающим вешест-
вом. В то время как при этом процессе окисел, т. е. в данном примере во-
да, подвергается восстановлению, одновременно восстановитель, т. е.
магний, испытывает, наоборот, окисление.
Поэтому понятия «восстановление» и «окисление» неотделимы друг
от друга, и всегда эти реакции осуществляются сопряженно и одновре-
менно.
Скажем еще несколько слов об энергетических отношениях. Вос-
становление представляет собой расщепление молекулы, и для осущест-
вления этого процесса требуется затрата теплоты. Такой процесс эндо-
термичен. При одновременно осуществляющемся процессе окисления
магния энергия в форме теплоты, наоборот, выделяется. Однако ввиду то-
го что в данном случае выделяющееся количество тепла будет больше, чем
затрачиваемое количество, то в конце концов вся реакция протекает
эндотермично, с выделением тепла. Однако это не исключает того, что
для начала реакции необходимо все же нагревать магний с целью повы-
сить скорость реакции или вообще добиться ее начала. Как только ре-
акция уже началась, она уже может поддерживаться энергией, выделяю-
щейся при самом течении процесса».
«По-видимому, в качестве восстановителей могут быть применены не
все вещества, но только такие, которые отличаются сильным сродством
к кислороду, ибо они должны отнимать кислород от других элементов,
с которыми он соединен?»
«Совершенно верно. Сродство должно быть во всяком случае сильнее,
чем сродство к кислороду того элемента, который содержится в окисле.
В технике, где, кроме активности, еще играет роль и дешевизна и во вся-
ком случае доступность восстановителя, в большинстве случаев пользу-
ются углеродом, водородом и окисью углерода, ибо все эти восстанови-
тели удовлетворяют упомянутым требованиям.
Однако мы несколько отклонились в сторону. Под конец мы уста-
новили, что горение связано с наличием горючего вещества и кислоро-
да. Но, кроме того, мы должны остановиться и на температуре воспла-
менения.
Бензин или полено дров я могу оставить в покое на такое время,
какое мне угодно, и я не доживу до того времени, когда эти вещества
сами собой воспламенятся. Лишь в том случае, если я их доведу, хотя
бы в одном только месте, до температуры воспламенения, они начнут го-
реть. Температура воспламенения для каждого вещества различна, и
она является мерой его огнеопасности. В то время, как эфир может быть
воспламенен уже горячей проволокой, дрова, для того чтобы их под-
жечь, мы уже должны нагреть до нескольких сот градусов.
Но вот наш огонь пылает. Каким образом мы можем его погасить?
Иногда этот вопрос может для нас стать весьма важным».
«Ввиду того что при горении необходимо соблюдение одновремен-
но трех условий, то, вероятно, возможно задержать или прервать это
горение путем исключения одного из этих условий?».
«Совершенно верно. Я могу этого достигнуть, во-первых, путем
удаления горючего вещества. Так, во время лесных пожаров прорывают
защитные рвы вокруг объятого пожаром участка для того, чтобы таким
путем сделать невозможным переход огня на другие, еще не охваченные
пожаром участки леса. Всегда приходится, если это возможно, удалять
из зоны пожара еще не зажженные, но угрожаемые со стороны огня
предметы.
Мы можем попытаться погасить пожар также и тем, что не будем
допускать к очагу пожара притока кислорода, необходимого для горе-
ния. Человека, одежда которого охвачена огнем, необходимо быстро хо-
рошо укутать покрывалом. Таким образом можно погасить пламя и на
других горящих предметах. При разбрызгивании пенообразующих ве-
ществ горящие предметы окутываются густым и непроницаемым для воз-
духа слоем пены. Особенно действенным является применение сухого
льда. Во-первых, он имеет очень низкую температуру и охлаждает пред-
меты ниже их температуры воспламенения; во-вторых, он образует при
своем испарении значительное количество двуокиси углерода, которая
неспособна поддерживать горение и, кроме того, благодаря своему боль-
шому удельному весу вытесняет кислород. Обливание огня водой при-
меняется также с целью понижения температуры горящих предметов
ниже точки их воспламенения, после чего огонь должен погаснуть».
«Мы говорили о том, что соответствующее вещество на воздухе го-
рит, т. е. соединяется с кислородом воздуха. Но ведь в воздухе содер-
жится только приблизительно 20% кислорода, а остаток состоит главным
образом из азота. Что же горючее вещество горит в воздухе иначе, чем
в чистом кислороде?»
«Разумеется! В воздухе азот разбавляет кислород и снижает его
активность. Опыты горения в чистом кислороде принадлежат к наиболее
эффектным и красивым химическим опытам. Тлеющая лучинка воспла-
меняется, будучи опущена в кислород, и сгорает в нем быстро с появле-
нием яркого пламени. Почти бесцветное и неприглядное пламя горящей в
воздухе серы окрашивается в кислороде в роскошный ярко-фиолетовый
цвет. Даже тонкая стальная проволока сгорает в кислороде довольно
легко, разбрасывая пучки ярких искр (рис. 27).
Весьма существенным является степень измельчения горящего веще-
ства, т. е. величина поверхности его. Если я захочу спичкой зажечь дро-
ва, то для этой цели я буду пользоваться целым поленом, но достигну
72
своей цели скорее, зажигая сначала тонкую лучинку или, еще лучше, дре-
весные стружки. Кислород вступает в соединение с поверхностными мо-
лекулами горючего вещества. Чем больше поверхность этого вещества,
тем больше будет и тех мест, на которых может наступить реакция, и тем
интенсивнее будет протекать горение. Измельчение какого-нибудь тела
всегда сопровождается увеличением его поверхности. Приведенный ниже
пример может проиллюстрировать сказанное. Кубик вещества с длиной
ребра в 1 см имеет поверхность, равную 6 см2. Если он будет разделен на
1000 кубиков, из которых каждый уже будет иметь грани длиной лишь
в 1 мм, то поверхность всех образовавшихся мелких кубиков возрастет
до 60 см2. При дальнейшем дроблении общая поверхность будет все более
и более возрастать, что видно из нижеследующей таблицы:
Длина ребра Число кубиков Общая поверхность
1 СМ 1 6 СМ2
0,1 см 1 000 60 СМ2
0,01 см 1 000000 600 см2
0,001 см 1 000 000 000 6 000 см2
0,0001 см 1 000 000 000000 6 м2
Рис. 27. Горение стальной
проволоки в кислороде.
Тонкоизмельченные вещества смогут, следовательно, в связи с их
большей общей поверхностью лучше взаимодействовать с кислородом,
что может быть обнаружено по их более интен-
сивному горению. Угольная пыль и мельнич-
ная пыль уже неоднократно служили причиной
сильных взрывов. Наилучшим условием для
быстрого сгорания вещества было бы его измель-
чение до отдельных молекул, т. е. доведение его
до газообразного состояния. Мы знаем,что веще-
ства, способные вообще взаимодействовать с ки-
слородом, особенно энергично сгорают в газо-
образном состоянии, а будучи смешаны в та-
ком виде с кислородом, часто могут даже слу-
жить причиной опасных взрывов. Смесь кисло-
рода с водородом представляет собой крайне
взрывчатый гремучий газ, само название кото-
рого достаточно ясно говорит за себя. Под тер-
мином взрыв мы понимаем горение, протека-
ющее с большой скоростью. Энергия при этом
освобождается за короткое время, и вследст-
вие происходящего значительного нагревания
образующиеся газы очень быстро расширя-
ются и являются причиной разрушительного действия взрыва».
«Ты ставишь самую возможность процесса горения и его течение в
зависимость от величины поверхности, а следовательно, и от степени
измельчения вещества. Но как тогда дело обстоит для кучи опилок?
Несмотря на то что мы имеем в этом случае очень мелкораздробленную
73
древесину, все же такая куча не очень склонна загораться и может
разве только медленно тлеть».
«Твой пример ни в коей мере не опровергает мое утверждение о том,
что чем больше поверхность, тем энергичнее протекает реакция. Правда,
приведенные тобой в качестве примера древесные опилки представляют
собой действительно очень мелкие частицы древесины; однако они лежат
в куче так близко друг от друга, что воздух не может проникать к ним
беспрепятственно извне. Несмотря на сильное измельчение, фактическая
поверхность кучи оказывается не такой уже значительной. Однако если
я буду вдувать в воздух мельчайшие частички тех опилок, которые, бу-
дучи собраны в кучу, способны только тлеть,то малые частички откроют
для действия на них воздуха всю свою поверхность. Реакция взаимодей-
ствия с кислородом воздуха тогда станет очень энергичной и подчас будет
даже протекать со взрывом».
«Однако что означает слово пламя или огонь, ибо я не думаю, чтобы
между обоими этими явлениями можно было бы уловить большую разни-
цу? Мне кажется, что пламя появляется всякий раз, когда соединение ка-
кого-нибудь вещества с кислородом протекает очень бурно».
«В этом отношении ты в общем и целом прав. Только одно я должен
еще добавить. Для горения недостаточно наличия горючего вещества, ки-
слорода и высокого сродства этого вещества к кислороду. Необходимо,
кроме того, чтобы это горючее вещество либо находилось в газообразном
состоянии, либо чтобы оно легко отщепляло газ».
Мой собеседник посмотрел на меня при этих моих словах несколько
недоуменно и поэтому я продолжал:
«Мне кажется, ты не веришь в правильность того, что я только что
тебе сказал, но все же это так и есть. Достаточно мне только приглушить
пламя свечи, как тотчас же от него в течение короткого времени будут
подниматься белые пары, которые вследствие того, что пламя оказалось
погашенным, а температура опустилась ниже точки воспламенения, уже
не могли догореть до конца. Если же я снова подведу, как это я сейчас
и делаю, зажженную спичку к фитилю, то парафин расплавится и будет
в жидком состоянии всасываться фитилем, после чего наверху он нач-
нет испаряться и затем вступит в реакцию с кислородом. В результате
этого образуется пламя, которое выделяет так много тепла, что этот про-
цесс затем будет продолжаться дальше и без внешней поддержки. Так об-
стоит дело и со всеми другими горючими веществами. Наверное, ты уже
обратил внимание на то, что набухшие плохо загорающиеся дрова или
уголь выделяют очень много таких паров, которые сразу же могут
вспыхнуть и затем гореть светлым пламенем. Энергичное окисление ве-
щества, которое с трудом подвергается превращению в газ, например же-
леза, будет протекать без появления пламени и будет обнаруживаться
только благодаря явлениям сильного накаливания отдельных горящих
частиц.
В пламени нашей свечи мы можем различить три зоны. Непосред-
ственно над фитилем в серединной точке пламени мы видим темное ядро-
74
Рис. 29 Опыт, до-
казывающий, что в
центре пламени
свечи находятся не-
сгоревшие пары
стеарина.
Его окружает светящаяся яркая зона. И, наконец, на внешнем крае пла-
мени можно различить едва заметную каемку» (рис. 28).
«Отличаются ли эти зоны друг от друга еще и по другим свойствам,
или они отличаются только упомянутым неодинаковым видом?»
«Они отличаются друг от друга также и по другим свойствам. Обсу-
дим вопрос, как обстоит дело с соотношением количеств горючего газа
и кислорода воздуха в различных частях пламени. Самое
энергичное окисление или горение может протекать в тех
местах, где горючие газы приходят в соприкосновение с
воздухом. Это происходит на поверхности пламени.
Здесь протекает полное сгорание: кислород имеется здесь
даже в избытке, и поэтому пламя нагрето до самой высо-
кой температуры. В этом случае мы говорим об окисли-
тельном пламени, ибо здесь вследствие избытка кисло-
рода внесенные в эту зону пламени предметы будут пре-
терпевать окисление. Если мы последуем дальше в глубь
пламени, то соотношение количества горючих газов к
кислороду будет сдвигаться все более и более в сторону ны^пламени^ве-
первых. Разумеется, и здесь будут протекать окисли- чи.
тельные процессы, однако очень многие частички из тех,
которые начинали раскаляться и обусловливали свечение пламени,
останутся в этом районе пламени несгоревшими. Мы говорим в этом слу-
чае о восстановительном пламени, ибо в результате
избытка горючего кислородсодержащие вещества, по-
павшие в эту зону, начнут подвергаться восстановле-
нию. В самую внутреннюю часть пламени — в его ядро—
совсем не поступает кислород. Здесь мы поэтому и
не будем иметь основания говорить о каком-либо горе-
нии. Эта зона состоит главным образом из несгорев-
ших газов, которые даже и не нагреты до высокой тем-
пературы.
Сказанное мы подтвердим двумя совсем простыми
опытами. Я беру тоненькую стеклянную трубочку и
держу ее в наклонном положении, причем один ее
конец помещаю в темное ядро пламени свечи.
Смотри, теперь дело уже пошло, трубочка напол-
няется белым паром, несгоревшим парафином, кото-
рый поднимается до другого конца трубочки, где я
его могу зажечь огнем моей спички. Если я подниму
трубочку несколько выше, то маленькое вторичное
пламя (рис. 29) погаснет, что будет доказательством
того, что только в темном ядре пламени имеются не-
сгоревшие газы. А теперь произведем опыт, который
должен будет нам иллюстрировать разницу темпера-
тур. Я одновременно ввожу головку одной спички в верхнюю часть пла-
мени и головку другой спички в ядро.
7Л
Рис 30. Схема устройства горелки
Бунзена.
При этом опыте верхняя спичка воспламеняется тотчас же, а для дру-
гой спички время, в течение которого головка воспламенится, является
гораздо более продолжительным».
«Ты говорил ранее о светящемся пламени и указывал на то, что это
свечение пламени объясняется присутствием в нем несгоревших веществ».
«А ты подержи горящую свечу у потолка или лучше подержи прямо
над нею кусок картона! Картон сделается черным, ибо на нем осядет
сажа, мелкораздробленный углерод. Этот мелкораздробленный углерод
образуется в светящейся части пламени в результате неполного сгорания
горючих веществ. Будучи нагрет, он начинает накаливаться и обуслов-
ливает свечение пламени. Если я при помощи остроконечной трубочки
буду вдувать воздух в такое светящееся пламя, то сажа будет сгорать,
пламя сделается бесцветным и в то
же время более горячим. Так и по-
ступают при пользовании так назы-
ваемой «паяльной трубкой», которая
обеспечивает образование горячего
острого язычка пламени. Светящееся
пламя не всегда является желатель-
ным. Во-первых, оно коптит, а во-
вторых, свечение свидетельствует о
неполном сгорании, а следователь-
но, и о неудовлетворительном ис-
пользовании горючего вещества.
В газовых плитах, а также в важней-
шем предмете оборудования хими-
ческой лаборатории — горелке Бун-
зена — газ подводится через тонкую
трубочку. В горелке он смешивает-
ся с воздухом, поступающим через
боковые отверстия. Такое пламя бесцветно и имеет очень высокую тем-
пературу. Стоит закрыть отверстия, подводящие воздух, и пламя де-
лается светящимся, ибо внутри такого пламени будет накаливаться
несгоревший углерод. При желании воспользоваться горелкой не для
нагрева, а для освещения можно сначала получить горячее несветя-
щееся пламя, а затем этим пламенем нагревать такие вещества, кото-
рые при этом излучают особенно яркий свет, как, например, «калильные
сетки», изготовленные из смеси окиси тория с окисью церия».
Мой собеседник снова заговорил:
«Я бы хотел от тебя еще узнать, правильно ли будет следующее мое
заключение. При сгорании этой свечи ведь должна выделяться теплота.
Насколько я могу вспомнить, ведь между энергией и массой имеется
взаимозависимость в том смысле, что энергия может быть равновелика
массе и, наоборот, масса превращается в энергию. Что же и в этом
случае (рис. 30) исчезнувшая при сгорании масса вещества переходит
в энергию?»
76
«Нет, эти твои соображения неправильны. Освободившаяся при го-
рении энергия, а именно теплота и свет, произошла не от превращения
массы свечи в энергию. Эта энергия горения, кроме всего прочего, слиш-
ком незначительна для справедливости твоего предположения. Теплота
и свет выделились при перегруппировке атомов и молекул при течении
данной химической реакции. Исходные вещества — вещество свечи и
кислород—были богаче по содержанию в них энергии, чем продукты горе-
ния; разница и выделяется в виде теплоты и света. Ручей на вершине
горы содержит большее количество энергии, чем он содержит этой энер-
гии позднее в долине. При своем течении вниз он способен осущест-
влять работу, например приводить в движение колеса мельницы. Для
объяснения выделения энергии
при течении химических реак-
ций мы поэтому вовсе не долж-
ны учитывать ту сопряженность
массы и энергии, которую ты
имеешь в виду.
А вот еще твоя другая
ошибка. Ты говоришь, свеча
исчезает, не оставляя после се-
бя никакого остатка. Разве это
так? Разве продукты горения
должны иметь обязательно твер-
Рис. 31. Опыт взвешивания горящей свечи
с поглощением продуктов горения.
дую или жидкую форму и быть
видимыми? В данном случае это
не так. Продуктом горения све-
чи является бесцветная газо-
образная двуокись углерода
(присутствие которой легко может быть обнаружено в газообразных
продуктах горения химическим путем), а также вода, которая при
температурах, существующих в пламени, также присутствует в виде га-
за. Если я над пламенем подержу в течение короткого времени какой-ни-
будь холодный предмет, то водяной пар подвергнется конденсации и ста-
нет видимым в виде капель жидкой воды. Ввиду того что масса свечи
при ее горении еще присоединяет к себе кислород, то общий вес газов,
образовавшихся при горении, должен быть больше первоначального ве-
са сгоревшей свечи. Правда, этот факт на первый взгляд кажется неве-
роятным, но он легко может быть доказан. На чашку весов я ставлю све-
чу, а над ней трубку, рыхло заполненную веществами, отличающимися
способностью поглощать поднимающиеся кверху продукты горения. На
Другую чашку весов я кладу столько разновесок, сколько необходимо,
чтобы установилось равновесие. После этого я зажигаю свечу. Уже по
прошествии небольшого времени чашка со свечой, все более и более
уменьшающей свою длину, заметно, однако, тяжелеет. Причина этого для
нас теперь становится ясной (рис. 31). Закон сохранения массы, откры-
тый и экспериментально подтвержденный Ломоносовым и Лавуа-
77
зье, утверждает, что при каждсй химической реакции вес суммы ис-
ходных веществ равен весу суммы конечных продуктов реакции. При
этом никогда масса не уничтожается и не создается вновь. Общая мас-
са остается постоянной и при химических реакциях только преобразо-
вывается. В дальнейшем этот
закон многократно подвергался
проверке при помощи самых
чувствительных весов и всегда
оказывался вполне точным».
Мой собеседник все еще не
совсем доволен.
«Но как обстоит дело с
флогистоном? Ведь его также
связывают с процессом горения.
Какую роль он играет в этих
процессах?»
«Этого вопроса я ожидал,
но нарочно не хотел его касать-
ся по собственной инициативе,
ибо иначе возникла бы путани-
ца. Но все же я должен ответить
на твой вопрос. Я не хочу выра-
зиться так, как сказал ты:
«флогистон связывают с процес-
сом горения». Вернее сказать,
его «связывали» с этим процес-
сом. Флогистон в настоящее
время является понятием, со-
хранившим лишь историческое
значение, и он должен был
уже давным-давно уступить
дорогу правильным определе-
ниям.
Рис. 32. Г. Э. Шталь (1660—1734).
Когда профессор медицины и химии Георг Эрнст Шталь в
1697 году ввел в химию понятие флогистона, эта идея знаменовала собой
существенный прогресс, хотя мы теперь и знаем, что этого флогистона не
существует и что воззрения Шталя были ошибочными. Однако его учение
имело своим следствием то, что все явления горения с того времени были
объединены единой точкой зрения и подвергались основательному из-
учению.
Под флогистоном Шталь понимал горючее начало, которое содержит-
ся во всех веществах. При горении (по отношению металлов Шталь
применяет термин не «горение», а «кальцинирование») флогистон уле-
тучивается и вытесняет окружающий воздух, делая его неспособным к
дальнейшему поддерживанию горения. Те вещества, которые сгорают
энергично и при этом не оставляют никаких остатков или оставляют
78
лишь незначительные остатки, состоят, в соответствии со взглядами
Шталя, из чистого флогистона, как например уголь. Если мы захотим
из кальцинированных металлов, т. е. из металлов, не содержащих фло-
гистона, получить обратно первоначальные металлы, мы должны вернуть
им обратно улетучившийся из них перед этим флогистон, хотя бы пу-
тем нагревания их с углем,
т. е. «с почти чистым флоги-
стоном».
Как мы видим, провоз-
глашенная в то время фло-
гистонная теория представ-
ляет собой теорию, противо-
положную по сравнению с
нашими современными взгля-
дами на горение. Подобно то-
му как мы ныне связываем
друг с другом и истолковы-
ваем при помощи понятия
окисления большое число ре-
акций, так и в те времена
такое истолкование казалось
возможным при помощи пред-
ставлений о флогистоне. Это
удовлетворяло многих уче-
ных. Их не интересовал во-
прос о том, что такое флоги-
стон, что он собой представ-
ляет и какими конкретными
свойствами он обладает. Он
представлял собой только то
начало горючести, которое
допускало объяснение наблю-
даемых явлений. Нои этого
Рис. 33 М. В. Ломоносов (1711 — 1765).
было для того времени достаточно.
В течение ста лет, вплоть до работ Лавуазье, флогистонная теория
одна была господствующей и непререкаемой. Она была столь могущест-
венной, что все открытия того времени испытывали влияние со стороны
этой теории. Можно считать прямо-таки курьезом, что ученые, открывшие
кислород, Пристли и Шееле были весьма рьяными сторонниками флоги-
стонной теории, хотя они сами же своими открытиями оказали наиболь-
шее влияние на крушение этой теории. Лишь русский гениальный иссле-
дователь Ломоносов сумел дать правильное объяснение процессов горе-
ния. Однако Россия была отдалена на значительное расстояние от
центров химического исследования тех времен, и поэтому работы Ломо-
носова не были известны или были лишь известны в отдельности, но
во всяком случае на них не было обращено того внимания, которого
79
Рис. 34. Памятник М. В. Ломоносову в Москве.
они заслуживали. Поэто-
му французскому учено-
му Лавуазье удалось в
1777 году выступить на
основании многочислен-
ных точных опытов с но-
вой теорией горения, ко-
торая объяснила все явле-
ния, не прибегая к флоги-
стону. Следует особенно
подчеркнуть, что Лавуазье
отказался в химии от чисто
умозрительного и описа-
тельного метода работы и
ввел количественный ана-
лиз— измерение при помо-
щи весов. Путем точного
взвешивания возможно
было бы и ранее устано-
вить, что при «кальцини-
ровании» металлов, т. е.
при «улетучивании флоги-
стона», металл становится
не легче, но «вопреки
здравому смыслу» тяже-
лее.
Самый свой значи-
тельный опыт, который не
только нанес смертельный
удар флогистонной тео-
рии, но мог также пока-
зать и истинный состав
воздуха, Лавуазье осуще-
ствил, наполнив точно
отвешенным количеством ртути реторту, снабженную длинной S-образ-
ной шейкой, и нагрев эту реторту на огне очага. Шейка реторты про-
ходила в сосуд, наполненный воздухом и изолированный ртутью от
внешнего воздуха. Ртуть в реторте подвергалась умеренному нагре-
ванию на очаге горящим углем в течение двенадцати дней. При этом
на поверхности ртути образовывался слой «красной кальцинирован-
ной ртути», ныне мы сказали бы — окиси ртути. Соответственно
количество воздуха в реторте и в сосуде убывало, в чем можно было
убедиться по поднятию уровня ртути, служившей для изоляции газа
от внешнего воздуха. При точном измерении, произведенном в конце
опыта, Лавуазье убедился, что ровно одна пятая часть первоначаль-
ного количества воздуха при этом процессе исчезла. Однако эта исчез-
80
нувшая пятая часть снова выделялась в виде свободного газа, когда
Лавуазье собрал красную окись ртути и сильно нагрел ее в другом сосуде.
При этом образовался кислород, который, будучи добавлен к остальным
4/5 объемным частям воздуха, снова
составил первоначальное исходное
количество воздуха. Таким путем Ла-
вуазье доказал, что при процессе
«кальцинирования» металлов проис-
ходит не улетучивание какого-то
фантастического вещества флогисто-
на, но что при этом процессе ки-
слород воздуха соединяется с метал-
лом. Это новое учение, разъяснив-
шее роль кислорода при процессах
горения, получило в последующие
годы дальнейшее развитие и было до-
ведено до современного состояния.
Как видишь, объяснение явле-
ний горения имеет свою историю,
полную перемен. Очень соблаз-
нительно проследить эту историю
до настоящего времени не только для
того, чтобы, подобно Вагнеру —
одному из персонажей «Фауста» Гё-
те, самодовольно показать, каких
прекрасных успехов мы достигли в
этой области, но также и для того,
Рис. 35 А. Л. Лавуазье (1743—1794).
чтобы познакомиться с химическим
мышлением и работами на пути раз-
вития этой теории».
Огонь в камине догорал, а тема нашей беседы была исчерпана. Че-
рез стекла больших окон в комнату проникал мороз ясной зимней ночи.
В нашей беседе мы позабыли о времени. Озябнув, мы поднялись. О чем
мы беседовали? Собственно.говоря, только о свече.
И ВОДА ИМЕЕТ СВОИ ПРОБЛЕМЫ
«Corpora non agunt, nisi fluida» («Вещества не реагируют друг с
другом иначе, как только в жидком состоянии»). Это очень древнее поло-
жение было высказано не случайно. Оно было основано на опыте при
обращении с водой. И ныне оно остается совершенно правильным, но для
наших целей мы должны дать этому латинскому правилу несколько бо-
лее вольный перевод и сказать: «Раствори вещества в воде, и они будут
взаимодействовать друг с другом лучше и быстрее». Если мы захотим
сделать еще шаг дальше, то мы не только провозгласим этот результат
опытов, но и попробуем понять причины этих явлений.
6 3. Шпаусус
81
Не будем подробно останавливаться на господствующей роли воды
для всей жизни, на ее значении в технике и хозяйстве и на зависимости
от нее течения самых разнообразнейших процессов природы, а займемся
только ее материальными свойствами и ее ролью в химических про-
цессах.
Что собой вообще представляет вода? На этот вопрос можно отве-
тить, лишь разложив воду каким-нибудь способом на ее составные части,
производя ее анализ.
Ввиду того что вода является весьма
устойчивым соединением, мы должны для
ее расщепления на элементы применить боль-
шое количество энергии в виде, например,
электрической энергии. Для этой цели на-
полним водой обе стеклянные трубки при-
бора Гофмана для разложения воды, закры-
тые сверху кранами. Чистая вода является
непроводником, т. е. она не проводит элек-
трического тока. Поэтому нам следует пред-
варительно прибавить к воде несколько ка-
пель серной кислоты или натриевой щелочи.
В оба стеклянных колена впаяны электро-
ды, которые присоединены к полюсам источ-
ника постоянного тока. После этого замкнем
ток. Из батареи ток потечет по проволоке
к катоду, обозначенному знаком минус (—),
и дальше будет продолжать свой путь к ано-
ду со знаком плюс (-(-) через воду, которую
мы сделали электропроводной; далее от-
сюда по проволоке ток снова вернется
к нашему источнику постоянного тока
(рис. 36).
Если бы ток протекал только по одно-
му металлическому проводнику, то мы не
заметили бы ничего особенного. Но иначе
обстоит дело при прохождении тока через воду. Она разлагается, что
мы можем заметить по выделению пузырьков газа у обоих электродов.
Эти пузырьки поднимаются в трубках и вытесняют равный им объем во-
ды. Через некоторое время можно наблюдать следующую картину: в
обеих трубках собрались бесцветные газы, но в колене трубки над ка-
тодом образовался ровно вдвое больший объем газа, чем в колене
трубки над анодом. К крану трубки с меньшим объемом газа подне-
сем тлеющую спичку и откроем кран. Вытекающий из этой трубки газ
заставит тлеющую спичку вспыхнуть ярким пламенем, и, таким обра-
зом, его придется считать кислородом. Газ из другой трубки легко
удается зажечь, и он будет гореть бесцветным горячим пламенем. Вви-
ду того что его удается получить из воды, мы его условимся называть
82
водородом. Относительно его свойств можно сказать, что он бесцветен,
не имеет вкуса и запаха и является самым легким из всех газов. Один
литр его весит только 0,089 а. На воздухе он горит, как уже ска-
зано, бесцветным, еле видимым, очень горячим пламенем и при этом
соединяется, следовательно, с кислородом, образуя окисел.
При помощи электролиза (разложения воды при действии электри-
ческого тока) было показано, что вода является соединением двух эле-
ментов — водорода и кислорода, причем оба газа содержатся в ее составе
в объемном отношении 2:1. Сделав вполне правильное предположение,
что в одинаковых объемах разных газов содержится одинаковое число мо-
лекул, можно заключить, что в молекуле воды на два атома водорода
приходится один атом кислорода и что поэтому воде соответствует фор-
мула НэО. Ввиду того что водород всегда обнаруживает валентность,
равную единице, а атом кислорода нам был известен только как двух-
валентный атом, такая формула вполне удовлетворяет требованию, чтобы
все свободные валентные единицы были взаимно насыщены. С химической
точки зрения, вода представляет собой окисел, а именно — окисел водо-
рода.
Наряду с электролизом мы располагаем еще и другими возможно-
стями разложения воды. В большинстве случаев это достигается путем
реакции восстановления, при которой от воды действием сильного восста-
новителя отнимается кислород, а водород выделяется в элементарном
виде. В качестве пригодного для этой цели восстановителя мы выше уже
применяли магний, который при этом превращался в белую окись маг-
ния. Однако и многие другие металлы можно применить для этого, как
например легкие металлы и железо. В технике с успехом в качестве
восстановителя применяют уголь, ибо он дешев. При пропускании над
нагретым углем водяного пара вода расщепляется на водород и кисло-
род, причем последний соединяется с углеродом с образованием окиси
углерода и двуокиси углерода:
Н2О+С->СО+Н2 и
2Н2О4-С->СО2+2Н2О.
Хотя полученные результаты анализов и верны, но они все же не
являются вполне однозначными.
Действительно, при разложении воды всегда получаются водо-
род и кислород, причем последний тотчас же соединяется с восста-
новителем, но этим еще не сказано, что названные элементы являются
единственными составными частями воды. Ведь вполне возможно было
бы допустить, что в воде содержится еще какой-нибудь элемент, ко-
торый по его свойствам не может так же легко быть обнаружен, как во-
дород и кислород. Результаты анализа только в тех случаях можно
считать однозначными, когда при обратном соединении полученных
составных частей мы снова приходим к исходному веществу. Поэтому
6*
83
нам необходимо снова смешать водород с кислородом и в результате их
соединения получить воду.
Итак, наполним сосуд на 2/3 водородом и на х/3 кислородом и таким
образом постараемся соблюсти объемное соотношение, найденное
нами при разложении воды. Однако при этом смешении не произой-
дет ничего особенного. Что же, разве мы поступили в каком-нибудь
отношении неправильно, разве мы в чем-нибудь ошиблись? Нет, мы не
совершили никакой ошибки, и после некоторого размышления для нас
не будет казаться удивительным, что в данном случае не наступило
никакой реакции. Оба газа, как это бывает и с большинством других
элементарных газов, не находятся в атомарном состоянии, а в них обо-
их каждые два атома соединены в молекулы. Таким образом, свободных
валентностей, которые бы сделали возможным взаимодействие атомов,
не имеется налицо. Однако положение вещей изменится в тот момент,
когда мы сильно нагреем смесь газов в каком-нибудь месте, хотя бы
путем пропускания через эту смесь газов электрической искры. Этой
энергии будет достаточно, чтобы расщепить хотя бы некоторые молеку-
лы газа на отдельные атомы. На короткий момент эти атомы остаются
в одиночестве и располагают свободными единицами сродства. Но это состоя-
ние они стремятся скорейшим путем изменить. Здесь уже в полной мере
проявится то значительное сродство друг к другу, которое характери-
зует оба элемента — кислород и водород. Одинокие атомы водорода и
кислорода соединятся друг с другом, и при этом выделятся значитель-
ные количества теплоты. Этих количеств теплоты будет достаточно, что-
бы расщепить и дальнейшие молекулы водорода и кислорода на атомы,
на этот раз в значительно большом количестве. Образующиеся при этом
в большом количестве свободные атомы обоих элементов также соеди-
няются между собой, выделяется еще большее количество энергии, ко-
торая снова способствует разложению молекул на атомы. Эти процессы
протекают чрезвычайно быстро. В течение незначительной доли секунды
кислород и водород, содержащиеся во всей смеси, вступают во взаимо-
действие. Выделившаяся при этом теплота не позволяет образовавшейся
воде оставаться в жидком состоянии и тотчас же переводит ее в газообраз-
ное агрегатное состояние. Одновременно газообразная вода внезапно
быстро расширяется под влиянием высокой температуры. При этом она
преодолевает все ограничивающие ее оковы и разрывает стеклянный со-
суд. Такой внезапно протекающий процесс горения обозначают терми-
ном детонация, в противоположность более медленно протекающему
взрыву, который не проявляет столь разрушительного действия, но мо-
жет быть использован в качестве движущей силы. Волна детонации рас-
пространяется в воздухе, достигает нашего уха и воспринимается нами
как громкий звук. Название гремучий газ является очень подходящим
для такой смеси и уже заранее позволяет сделать некоторые выводы.
Не всякая реакция между водородом и кислородом обязательно
должна протекать так бурно, как это было только что описано. Такая
бурная реакция произошла в результате того, что для нее были подо-
84
браны благоприятные условия. Оба газа были взяты в таком количествен-
ном соотношении, которое гарантировало полноту их взаимодействия,
кислород был применен в чистом виде, а не в разбавленном состоянии
путем добавления менее способного к реакциям азота. Оба участника ре-
акции состояли из газов, находившихся в молекулярной форме, и поэтому
в наибольшем возможном раздроблении, и в качестве газов они могли
вполне смешиваться друг с другом. Если бы я выпускал водород из тон-
кого отверстия, процесс его соединения с кислородом протекал бы в виде
простого горения, и при этом образовывалось бы пламя, напоминающее
нам пламя светильного газа. Конечно, это все можно было бы утверждать
при той предпосылке, что вытекающий водород был чист и не содержал
примеси кислорода. При чистом водороде его окисление будет проте-
кать лишь по мере того, как он будет вытекать из тонкого отверстия*
Выделяющаяся теплота будет тотчас же отводиться вместе с продуктами
горения, и детонация является при этих условиях вообще исключенной.
Выделяющаяся при соединении чистого водорода с кислородом высокая
температура используется в технике для сварки и резки металлов. При
этом оба газа смешиваются друг с другом только уже в самом пламени
во избежание образования гремучего газа в большом количестве. Это
осуществляют в так называемом
кране Даниэля (рис. 37). При взры-
ве гремучего газа в том виде, как
мы его осуществляли, образую- водород ''
щиеся пары воды вместе с оскол- ---------кислород —
ками стекла рассеивались во все
стороны; но лучше подержать над
водородным пламенем на короткое
время чашку с холодной водой или
СО ЛЬДОМ. На ХОЛОДНОМ дне чаш- Рис’ 37* Кран Даниэля.
ки будет конденсироваться водя-
ной пар и осаждаться в виде небольших капелек. Мы можем собрать
капельки и снова подвергнуть их электролизу, в результате которого
опять появятся водород и кислород. Таким путем мы окончательно дока-
жем, что эти капельки состоят из воды. Другие вещества, содержащие
связанный водород, будут также при сжигании образовывать в качестве
одного из продуктов горения воду.
Ввиду того что как анализ, так и синтез дал согласующиеся друг
с другом результаты, наше предположение о том, что вода состоит из эле-
ментов водорода и кислорода, можно считать доказанным.
При синтезе мы получили чистую воду, какую мы можем встретить
в природе только в виде дождя или снега. В других случаях природная
вода всегда содержит переменные количества растворенных в ней ве-
ществ, в особенности газов и солей. При нагревании воды мы наблюдаем
выделение из нее поднимающихся кверху пузырьков воздуха, ибо рас-
творимость газов, в противоположность растворимости твердых веществ,
при нагревании понижается. При этом не все газы отличаются одинако-
85
вой растворимостью. Уже для самих составных частей воздуха наблю-
дается неодинаковая растворимость в воде. В то время как в 1 л воды при
23°С могут раствориться 23 см3 азота, в том же количестве воды при тех
же условиях растворится 49 см3 кислорода. Следовательно, воздух, рас-
творенный в воде, богаче по содержанию кислородом по сравнению с ат-
мосферным воздухом. Это означает, что в воде животные могут покры-
вать свою потребность в кислороде менее значительным количеством
воздуха, имеющегося в их распоряжении.
Перейдем теперь к растворенным в воде твердым веществам. Они
содержатся в воде в переменном количестве, от них и зависит «вкус
воды». Даже не совсем чистая вода, например дождевая или вода талого
снега, отличается отсутствием вкуса и пресностью и оказывается вредной
для нашего организма в связи с отсутствием в ней солей.
Чтобы понять исключительную растворяющую способность воды,
мы должны несколько ближе познакомиться стойкой структурой веществ
и для этого совершить небольшой заем из материалов дальнейших глав
этой книги. До сих пор мы говорили, что молекулы воды состоят из
одного кислородного и из двух водородных атомов. Это хотя и было пра-
вильно, но не вполне. При соединении водородных и кислородных ато-
мов осуществляется переход электрических зарядов, причем таким обра-
зом, что атом кислорода отнимает от обоих водородных атомов по одной
отрицательной единице электрического заряда, т. е. получает от них по
одному электрону. Тем самым кислородный атом приобретает два лишних
отрицательных электрических заряда и становится двузарядным отри-
цательным кислородным ионом (мы применим уже в этом месте этот тер-
мин). Зато у водорода останется только положительный заряд ядра, и из
водородного атома непосредственно образуется положительно заряжен-
ный водородный ион. Соответственно такие же соотношения будут наблю-
даться и в кристаллах твердых веществ. И здесь структурные элементы
кристаллов будут снабжены противоположными электрическими заря-
дами, а взаимное притяжение этих зарядов и будет обусловливать дей-
ствие сил, связующих кристалл в одно целое.
В молекуле воды ионы водорода и кислорода расположены несиммет-
рично, но образуют угол. Это, казалось бы, неважное обстоятельство
объясняет, однако, многие своеобразные свойства воды. Электрические
заряды в молекуле в общем нейтрализуют друг друга, и вся молекула в
целом электрически нейтральна, ибо как раз стольких же отрицатель-
ных зарядов, сколько их имеется лишних у кислорода, не хватает у во-
дородных ионов. Однако в молекуле (рис. 38) эти заряды размещены не-
симметрично. Наблюдатель, находящийся в пункте А, сможет устано-
вить поблизости от него преимущественное сосредоточение положитель-
ных зарядов, в то время как в пункте Б будет наблюдаться противополож-
ное соотношение, а именно — перевес отрицательных зарядов. До тех пор,
пока на воду не действуют никакие внешние силы, ее молекулы не
обнаруживают какой-либо строгой ориентации и скорее расположены
беспорядочно. Однако если я помещу воду в электрическое поле, то
86
молекулы переориентируются в соответствии с центрами тяжести их
зарядов, т. е. повернутся своими отрицательными кислородными
ионами к положительному полюсу, а своими положительными водород-
ными ионами — к отрицательному полюсу. При таком несимметрич-
ном распределении зарядов внутри молекулы можно говорить о суще-
ствовании диполя, имея при этом в виду молекулу, обладающую, подоб-
но магниту, двумя полюсами.
Опустим теперь какой-нибудь кристалл, например кристалл по-
варенной соли, в воду. Структурные элементы кристалла связаны в нем
друг с другом и имеют прочное расположение. До тех пор, пока около
них нет молекул воды, они образуют группу, определяемую небольшой
Рис. 38. Диполь молекулы воды.
Рис. 39. Строение кристалла хлористого натрия.
поверхностью, а поэтому и располагающей лишь немногими точками, под-
верженными действию внешних сил. Но как только молекулы воды по-
падут в область расположения положительных и отрицательных ионов
кристалла (рис. 38), они будут ориентироваться в соответствии со сво-
ими зарядами. При этом молекулы воды окружат положительные ионы
кристалла своими отрицательными полюсами и, наоборот, отрицательные
ионы кристалла —своими положительными полюсами. При этом они бу-
дут внедряться в структуру кристалла. Структурные элементы кристал-
ла будут подвергаться разделению друг от друга (рис. 40) и претерпят
разрыв. Кристалл перейдет в раствор. Подобно тому как у ландскнехтов
«дружины смерти» вторгались в железный, почти неприступный строй
вражеского войска, расстраивали этот строй и вместе с тем расстраивали
и возможность рукопашного боя один на один, так дело обстоит и в дан-
ном случае. Ионы оказываются вырванными из заботливо охраняемого
порядка в кристалле и приобретают гораздо более легкие возможности
вступать в реакцию. Таким образом, мы снова пришли к старым наблюде-
ниям. Вещества взаимодействуют легче, когда они растворены в воде.
87
Правда, обыкновенно растворимость веществ ограничена некото-
рыми пределами. Так, например, существуют вещества, у которых энергия
решетки их кристаллов столь велика, что диполи воды не в состоянии
«разорвать» такие кристаллы. В таких случаях мы говорим о нерас-
творимых веществах, как например песок, стекло или твердые эле-
ментарные вещества. У последних это объясняется еще и другой причи-
ной. Элементы состоят в своих последних единицах из молекул или из
атомов, но не из электрически заряженных ионов. Благодаря этому мо-
лекулы воды уже с самого начала совершенно лишены возможности про-
Рис. 40. Расщепление кристалла поваренной соли при растворении.
явить по отношению к кристаллам элементов свои свойства диполей и
при этом проявить высокую активность.
Однако и другие вещества не проявляют неограниченной раствори-
мости в воде. Количество вещества, которое удается растворить в воде,
зависит, во-первых, от его удельной растворимости (а следовательно,
и от количества растворителя — в нашем случае от количества воды) и,
во-вторых, от температуры. В предельном случае будет наблюдаться
картина, характерная для селитры. Для последней растворимость будет
обнаруживать весьма значительное увеличение при повышении темпе-
ратуры. Противоположный случай мы будем наблюдать для поваренной
соли. На ее растворимость повышение температуры почти не будет ока-
зывать никакого влияния. Большинство остальных кривых характе-
ризующих растворимость разных веществ, будет проходить между этими
обоими предельными случаями. Весьма своеобразна кривая глауберовой
соли. Вплоть до 32°С она обнаруживает совершенно нормальное возра-
стание растворимости, но при дальнейшем повышении температуры рас-
55
творимость снова начинает понижаться. Это явление представляет собой
редкое исключение, объясняющееся при указанной температуре изме-
нением структуры вещества и связанным с этим изменением соотношений
растворимости.
Зависимость растворимости от температуры может быть объяснена
очень легко. Мы уже знаем, что молекулы растворителя, т. е. воды, от-
личаются благодаря их дипольному характеру способностью внедрять-
ся в структуру кристаллов и разрывать ее. Если мы путем повы-
шения температуры добавим к структурным элементам кристалла еще
дополнительное количество энергии, то они сделаются более подвиж-
ными; тем самым мы сильно об-
легчим «стремление» воды к раз-
делению ионов кристалла. Пере-
шедшие в раствор ионы нахо-
дятся в состоянии беспорядоч-
ного движения и при этом, под-
чиняясь законам теории веро-
ятности, они могут снова на-
талкиваться на оставшиеся еще
не растворенными части кри-
сталла твердых веществ. При
этом они попадают в сферу дей-
ствия мощных сил кристалличе-
ской решетки, которые иногда
могут снова внедрить их в свою
структуру. Таким образом,
между частицами, переходящи-
ми в раствор, и теми, которые
снова присоединяются к кристаллу, устанавливается определенное, зави-
сящее от температуры соотношение, которое в конце концов «стремится» к
некоторому состоянию равновесия. Эго равновесие, как и все равнове-
сия, устанавливающиеся в химических реакциях, имеет кинетический,
а не статический характер. Если я в бумажнике имею 100 марок и ни-
чего не расходую из них, но также ничего и не добавляю, то мои денеж-
ные дела находятся в статическом равновесии. Ио если я ежедневно по-
лучаю 100 марок и за тот же срок расходую 100 марок, то мои денежные
дела также находятся в состоянии равновесия, однако это равновесие
будет кинетическим. При достижении в системе «растворитель — твердое
вещество» подобного равновесия ровно такое же число частиц будет в
единицу времени переходить в раствор, какое снова будет осаждаться
на твердый кристалл. С нашей макроскопической точки зрения, это про-
явится в прекращении процесса растворения. Раствор будет насыщен
соответствующим веществом, и всякая новая порция добавленного твер-
дого вещества останется лежать на дне сосуда.
Выделения в твердом виде вещества, уже перешедшего в раствор,
можно добиться, во-первых, путем понижения температуры насыщенного
89
раствора. В результате такого понижения температуры ионы будут дви-
гаться медленнее и легче смогут снова присоединиться назад к структуре
кристалла. С другой стороны, равновесие может быть смещено также
и путем уменьшения количества растворителя хотя бы при его выпари-
вании или испарении. Чем медленнее будет испаряться растворитель, а
вместе с тем и выкристаллизовываться растворенное вещество,тем больше
времени будет в распоряжении ионов для того, чтобы снова присоеди-
ниться к кристаллу и занять в его структуре свои места, а потому тем
равномернее и лучше будет протекать рост кристалла. Наоборот, при
быстром охлаждении или при энергичном выпаривании растворителя
образуются мелкие кристаллы, которые к тому же будут иметь непра-
вильную форму. В этом случае сразу для очень многих ионов явится
необходимость выделиться в твердом виде. Они должны будут это
осуществлять с крайней поспешностью и на очень многих местах. В ре-
зультате этого может образоваться лишь мелко кристаллическое твер-
дое вещество.
Мы уже знаем, что природная вода загрязнена примесями газов и
солей. Хотя благодаря этому ценность воды в большинстве случаев и не
снижается, но при химических работах часто бывает совершенно необ-
ходима чистая вода. Ввиду того что вода часто применяется в качестве
растворителя, примеси, заключающиеся в воде, всегда загрязняли бы
продукты химических реакций, а это могло бы привести к ошибочным ре-
зультатам.
Что значит очистить воду? Путем фильтрования мы еще ничего не
достигнем. Твердые вещества, растворенные в воде, находятся в ней в
столь мелком раздроблении, что они проходят через мельчайшие поры
любого фильтра. Однако существует другая возможность. Если я буду
нагревать раствор, то при определенной температуре растворитель начнет
испаряться, он будет переходить в газообразное агрегатное состояние,
между тем как точки кипения твердых веществ в большинстве случаев
лежат гораздо выше. Из раствора поваренной соли при нагревании ис-
паряется чистая вода, а твердая поваренная соль остается в сосуде.
Остается только уловить улетучивающуюся в парообразном виде воду
и путем охлаждения перевести ее снова в жидкое состояние. Это осуще-
ствляется в стеклянной трубке, окруженной муфтой, внутри которой
циркулирует холодная вода. Разделение веществ, значительно отличаю-
щихся друг от друга по своим точкам кипения, называется перегонкой
или дистилляцией, а полученная описанным выше путем вода —*
дистиллированной водой.
Следует еще упомянуть о перекиси водорода. Это вещество представ-
ляет собой второе возможное соединение, образованное водородом и ки-
слородом. Как указывает само его название, это вещество представляет
собой перекись, т. е. как бы еще более окисленный водород. В соответствии
с этим формула этого вещества будет Н2О2. Как это возможно? Мы ведь
знаем, что водород всегда бывает одновалентным, а кислород — всегда
двухвалентным. Как же совместить это с формулой Н2О2? Не приходится
90
ли в данном случае отбросить правила валентности в мусорный ящик и при-
том как раз в применении к тем элементам, для которых число единиц ва-
лентности можно было бы считать столь несомненным? Однако нам не
придется ничего изменять в наших прежних представлениях. Соеди-
нившись одной единицей сродства друг с другом, два кислородных ато-
ма имеют в своем распоряжении еще по одной единице валентности и мо-
гут с ее помощью присоединить к себе два атома водорода, соответственно
формуле Н—О—О—Н. Мы можем в соответствии с этим рассматривать
Рис. 42. Схема перегонки жидкостей.
перекись водорода в качестве первого продукта восстановления молеку-
лярного кислорода 0=0. Используя связь, существующую между обо-
ими кислородными атомами наполовину, мы можем при помощи освобо-
дившихся таким образом двух единиц сродства присоединить два атома
водорода.
Уже на основании самой формулы перекиси водорода мы можем за-
ключить, что это соединение должно будет легко отдавать кислород и
переходить при этом в воду, а следовательно, что оно отличается в зна-
чительной степени неустойчивостью. Однако, несмотря на свое свойство
легко разлагаться, перекись водорода всегда образуется при взаимо-
действии водорода с кислородом. Правда, в условиях высокой темпе-
ратуры, господствующей при этой реакции, перекись водорода весь-
ма недолговечна, и для того, чтобы с несомненностью доказать при этом
ее образование, приходится прибегнуть к некоторым уловкам. Этого
91
можно, например, достигнуть, направив пламя горящего водорода на
кусок льда, для того чтобы быстро охладить образующиеся при горе-
нии газы. Образующаяся при горении в незначительном количестве пе-
рекись водорода благодаря этому сразу же сильно охлаждается и тем
самым предотвращается ее немедленный распад.
Ввиду того что перекись водорода легко выделяет кислород, кото-
рый способен разрушать бактерии и красящие вещества, ее применяют
для целей дезинфекции и беления. Однако здесь мы должны поставить
перед собой вопрос, почему именно тот кислород, который выделяется при
распаде молекул перекиси водорода, оказывается столь активным. Ведь
и в воздухе имеется кислород в достаточном количестве, однако ему мы
не можем приписывать дезинфицирующей или белящей способности. От-
ветить на этот вопрос нетрудно. В тот момент, когда кислород выделяется
из перекиси водорода, он в течение ничтожного промежутка времени су-
ществует в виде атомов:
1) 2Н2О2 -> 2Н2О+2О=
2) 20=О2.
В момент своего выделения из молекулы перекиси водорода атомар-
ный кислород располагает свободными единицами сродства, которые он,
по возможности, стремится насытить либо путем соединения с таким же,
как он, другим кислородным атомом, либо с другим веществом. Эта чрез-
вычайно сильная активность отмечается и у других газов в момент их вы-
деления из какого-нибудь соединения. В таких случаях говорят о газах
«in statu nascendi» — «в момент их выделения». В таком состоянии газы
всегда обнаруживают повышенную реакционную активность.
Перекись водорода обычно поступает в продажу в виде трехпро-
центного раствора: такая концентрация перекиси водорода является
вполне достаточной для ее домашнего употребления и безопасной. 30%
раствор перекиси водорода называется пергидролем; он уже не является
вполне безопасным, ибо при неосторожном обращении может вследствие
своего сильного окислительного действия вызвать ожоги кожи. Получен-
ная по особому методу еще более концентрированная перекись водорода
представляет собой сиропообразную жидкость и отличается неприятной
способностью иногда взрываться без каких-либо видимых причин.
Но пора покончить с главой о воде, несмотря на то, что по поводу
нее еще можно было бы сказать очень многое. Здесь повторяется то,
что мы уже наблюдали часто. Какая-нибудь вещь кажется нам весьма
обыденной, простой и незамысловатой. Но как только мы ею займемся
поподробнее, первое впечатление о ней изменяется. Возникают все
новые интересные подробности, вопросы и проблемы так, что мы в кон-
це концов должны себя жестоко ограничивать, чтобы не удалиться в
безбрежное море вопросов.
Если в дальнейших главах мы обратимся к рассмотрению других во-
просов,то это далеко не означает,что мы уже окончательно покончили с
изложением вопросов, связанных с водой. Все время мы снова будем с ней
встречаться как с растворителем, как с важнейшим господствующим в
92
жизненных процессах веществом, как с важнейшим сырьем в химической
промышленности и во многих других ее применениях. Еще многое дру-
гое мы узнаем о воде и придем к твердому убеждению,что «именно вода-то
и богата разными проблемами».
ПОРЯДОК СРЕДИ ЭЛЕМЕНТОВ
Мы всегда испытываем стремление распределить большое число раз-
нообразных вещей по группам, которые бы позволили рассмотреть эти
вещи с единой точки зрения и облегчили бы понимание связанных с этими
вещами вопросов. Так, например, всех животных и растения мы класси-
фицируем с определенных точек зрения на группы, и таким образом их
многообразие становится для нас более обозримым и понятным. Равным
образом были предприняты подобные же попытки классификации раз-
ных веществ, когда их число стало очень значительным. В первую
очередь было установлено различие между элементами и химическими со-
единениями. Элементы удалось распределить на дальнейшие группы,
включавшие такие элементы, которые обнаруживали тесную физическую
и химическую близость друг к другу. Так, например, из общего числа
элементов были выделены металлы, неметаллы и благородные газы. При
более близком знакомстве со свойствами элементов их нетрудно было под-
вергнуть еще дальнейшей классификации, однако такое разделение не
могло нас вполне удовлетворить. Правда, таким путем удавалось внести
некоторый порядок в классификацию химических элементов, однако та-
кие группы стояли изолированно друг от друга и не позволяли решить,
существуют ли между ними какие-либо закономерные соотношения, или
же сходство относящихся к этим группам элементов является только
случайным.
Уже в 1829 году химик Дёберейнер выделил из всех эле-
ментов 21, которые он распределил в 7 групп, в каждой из которых на-
ходилось по 3 элемента, весьма похожих друг на друга. При этом он
установил, что атомные веса этих элементов играют совершенно опреде-
ленную роль при их распределении на группы. Он различал два случая.
В группах:
Железо.........55,8 или Осмий.............190,8
Кобальт . . . .58,9 Иридий . . . .193,1
Никель.........59,7 Платина .... 195,2
все три отмеченных в группе элемента обнаруживали поразительное
сходство, а атомные веса их мало отличались друг от друга.
Иначе обстояло дело у элементов:
Кальций . . . .40,1 или Хлор.................... 35,5
Стронций .... 87,6 Бром............79,9
Барий.........137,0 Йод............ 127,0
Среди этих элементов также наблюдалось замечательное сходство свойств
самих элементов, а также сходство свойств соответствующих соединений
этих элементов с другими элементами, но в этом случае атомные веса об-
93
наруживали между собой значительные отклонения. Однако атомные
веса членов таких триад, как их назвал Дёберейнер, находились во
вполне определенном соотношении друг с другом. При сложении атом-
ных весов первого и последнего из элементов такой триады и деления по-
лучившейся суммы пополам довольно точно получался атомный вес сред-
него элемента. Так,
Са4-Ва 40,1 + 137
—-— = Sr или, при выражении в числах, --------- = 88,55. То же
самое наблюдалось и в триаде хлор — бром — йод. При подстановке
чисел по правилу Дёберейнера получался для брома атомный вес 81,2,
между тем как фактически этот атомный вес оказался равным 79,9.
Эти небольшие отклонения Дёберейнер хотел объяснить неточностями
определения атомных весов. Он придерживался того мнения, что при
самой точной проверке эти отклонения должны будут исчезнуть.
Однако при помощи своего учения о триадах Дёберейнер сумел уста-
новить некоторый порядок лишь среди части химических элементов. Дру-
гие элементы при всем желании было невозможно распределить на группы
и установить для них подобные же числовые соотношения. Поэтому-то
это учение и не привлекло к себе особого внимания,но все же и оно пред-
вещало что-то новое и впервые устанавливало связь между свойствами
химических элементов и их атомными весами.
Через несколько лет англичанин Ньюленде подошел к реше-
нию этой проблемы несколько с иной стороны. Он расположил элементы
по их возрастающему атомному весу и при этом смог установить, что
каждый раз через восемь элементов встречается такой, который обна-
руживает большое сходство с элементом, стоящим на первом месте.
С аналогичным явлением мы встречаемся и в музыке на примере октав.
В 1864 году Ньюленде доложил на заседании Королевского Общества
эту замеченную им интересную закономерность. Однако он при этом,
по-видимому, ожидал от членов этого Общества слишком многого.По-
добно тому как каждое тело, подчиняясь закону инерции, стремится
сохранить то первоначальное состояние движения или покоя, в кото-
ром оно пребывает, так этот закон, по-видимому, проявляется иногда
и в области человеческого мышления. Ньюленде разделил судьбу многих
исследователей, которые публично провозглашали свои новые идеи. Со-
брание сразу же отклонило опубликование «закона октав», а при дискус-
сии, развернувшейся по поводу этого закона в Королевском Обществе,
к Ньюлендсу был обращен издевательский вопрос: «Не удалось ли
Вам отметить какую-либо интересную закономерность при расположе-
нии химических элементов по алфавиту их наименований?». Подобную
же судьбу испытал и французский ученый Б е й е р д е Ш а н к у р-
т у а. Он сформулировал результаты своих работ в знаменитом поло-
жении «Свойства веществ представляют собой свойства чисел». Его ра-
боты были отклонены Французской Академией наук без рассмотрения
с указанием, что они представляют собой «числовую мистику». Его
идеи были преданы забвению.
94
Рис. 43. Д. И. Менделеев (1834—1907).
Однако и в других местах ученые занимались расположением хи-
мических элементов в естественную систему. Еще в 1864 году немец
Лотар Мейер составил таблицу, устанавливающую зависимость между
атомными весами и некоторыми свойствами химических элементов; эта
зависимость была похожа на ту, которую заметил Ньюленде, но она не
обнаруживала той неподвижности, какая была свойственна таблице
Ныолендса. Мейер пользо-
вался своей таблицей на
своих лекциях, однако он не
был настолько убежден в ее
значении, чтобы опублико-
вать и поставить ее на об-
суждение. Это было сделано
в 1869 году русским ученым
Д. И. /Ме н де л е е в ы м, ко-
торый независимо от Мейера
пришел к такому же выводу
и опубликовал в химическом
журнале «Zeitschrift fur Che-
mie» реферат своей русской
оригинальной статьи: «От-
ношение между свойствами
элементов и их атомными
весами». Первая же фраза
этого реферата гласила:
«При расположении элемен-
тов по возрастающему атом-
ному весу в вертикальные
ряды таким образом, чтобы
горизонтальные ряды содер-
жали бы аналогичные эле-
менты, также расположен-
ные по возрастающему атом-
ному весу, мы получаем ни-
жеследующую таблицу, из
которой удается сделать не-
которые выводы общего ха-
рактера». Затем была при-
ведена таблица периодической системы элементов и сделаны некоторые
выводы из нее, из которых важнейшими являются следующие:
Пункт 5 начинается со слов: Величина атомного веса обусловливает
свойства элементов.
Пункт 6 начинается со слов: Этот закон позволяет предвидеть от-
крытие еще многих новых элементов.
Пункт 7 начинается со слов: Некоторые атомные веса, вероятно,
должны быть исправлены.
95
Пункт 8: Приведенная выше таблица позволяет провести новые ана-
логии между элементами.
Как и его предшественники, Менделеев расположил элементы по
возрастающему атомному весу, но гораздо последовательнее провел эту
ОПЫТЪ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ!».
ОСНОВАННОЙ НА ИХЪ АТОМНОМУ ВЪСЪ И ХИМИЧЕСКОМУ СХОДСТВУ.
Ti = 50 Zr= 90 ?=I8O.
V=51 Nb= 94 Ta = 182.
Cr= 52 Mo= 96 W=I86.
Мп = 55 Rh = 104 4 Pl = 197,4
Fe = 56 Rn= (OH lr= 198.
Ni=Co= 59 Pl= 106.6 Os = 199.
Н=-1 Cn = 63,4 Ag= 108 Hg=200
Ве= 9,4 Mg = 21 Zn = 65,2 Cd= 11 2 =
B=l 1 Al = 27,4 ? = 68 Cr= 116 Au = l97?
С = 12 Si = 28 ?=70 Sh= 118
N = I4 P = 3I As=75 Sb= 122 Bi = 210?
0 = 16 S=32 Se = 79,4 Te = 128?
Е = 19 Cl = 35,зВг=8О 1 = 127
Li = 7 Na =2.3 К =39 Bb=85,4 Cs = 133 TI = 204
Ca = IO Sr = 87.6 Ba= 137 ? = I5 Ce=92 ?Er = 56 La = 9l ?Yi=60 Di=95 ?Ln = 75eTh= 118? Pb=207.
Д МенделЪевъ.
Рис. 44. Первый опыт системы химических элементов
по Д. И. Менделееву (1869)
систематизацию. Он не зажал элементы в неподвижную систему октав,
как это сделал Ньюленде, который благодаря этому и не смог понять
истинной связи между ними, но решился на введение более длинных
периодов. В некоторых случаях он взял на себя смелость произвести
перестановку элементов. Хотя теллуру и соответствовал более высо-
кий атомный вес, чем атомный вес йода, Менделеев все же счел не-
96
обходимым поставить йод после теллура, ибо по своим свойствам он
должен был найти свое место ниже брома. Кроме того, Менделеев со-
гласился не со всеми атомными весами. Как выше вытекало из пункта 7,
согласно Менделееву надлежало в некоторых случаях ввести поправку
для того, чтобы его система могла оставаться подтвержденной, а в
последнем он был твердо убежден. Атомный вес урана считался в то вре-
мя равным 130. Согласно периодическому закону, однако, этот атомный
вес должен был быть приблизительно вдвое большим, и это скорой ока-
залось подтвержденным.
В то время, когда Менделеев устанавливал свою периодическую си-
стему элементов, еще не все элементы были известны. Эти еще отсут-
ствовавшие в то время элементы были обозначены в его таблице в виде
незанятых клеток.
Менделеев не только имел смелость поставить эти пробелы в связь
с еще не открытыми элементами, но имел даже возможность на основе
закономерностей свсей системы с поразительной точностью предсказать
свойства этих неизвестных еще элементов и дать химикам указания по
поводу того, где эти элементы могут быть найдены. Особенно точно он
описал два отсутствовавших элемента бороалюминиевой группы: эка-
бора и экаалюминия, равно как и еще не открытого элемента углеродо-
кремниевой группы — экасилиция.В существовании этих элементов он
был глубоко убежден, ибо: «Законы природы не терпят исключений и
отличаются в этом отношении от правил и правильностей, например,
грамматических. Подтвердить закон природы можно только тем, что
на основе его обнаружить выводы, которые без него являются невоз-
можными, которых нельзя ожидать, но которые подтверждаются опытом».
В 1875 году француз Лекок де Буабодран обнаружил в
цинковой обманке ничтожные следы металл а, который он признал за но-
вый элемент и назвал в честь своей родины галлием. При изучении
свойств этого элемента, к великому удивлению всех, выяснилось, что
по своим свойствам он идентичен с предсказанным Менделеевым эка-
алюминием. В 1879 году Нильсон и К л е в е открыли скандий —
экабор Менделеева. Наконец, в 1885 году близ Фрейберга была открыта
новая очень богатая серебром руда, при изучении которой Винклер
сумел выделить из нее новый элемент германий, который соответствовал
экасилицию.
Ниже приведено сопоставление, показывающее, в какой значитель-
ной степени Менделеев был прав в своих предсказаниях.
Предсказанные Менделеевым свойства
экасилиция:
1) Атомный вес будет равен прибли-
зительно 72,9.
2) Удельный вес равен приблизитель-
но 5,5.
3) С кислородом экасилипий образу-
ет двуокись, удельный вес которо-
го будет 4,7.
Установленные Винклером свойства
германия:
Атомный вес равен 72,5.
Удельный вес равен 5,47.
Существует соединение GeO2 с удель-
ным весом 4,7.
7 3. Шпаусус
97
4) Должен давать соединение с ато-
мами хлора, которое будет жидким,
иметь удельный вес 1,9 и точку ки-
пения 100° С.
5) Можно будет получить соединение
Es(C2H6)4 с точкой кипения 160° С.
Существует соединение GeO4, пред-
ставляющее собой жидкость с точкой
кипения 86° и с удельным весом 1,89.
Существует соединение Ge(C2H5)4 с
точкой кипения 160° С.
Если мы поставим вопрос о приоритете открытия периодической
системы, то нам уместно будет процитировать Шопенгауэра,
который по этому поводу однажды сказал:
«Вообще следует по этому поводу сказать, что относительно каждой
большой истины всегда до того, как она открыта, существует предчув-
ствие, неясный образ, как бы окутанный туманом, а также тщетные по-
пытки схватить эту истину именно потому, что достижения данного
времени ее уже подготовили.В соответствии с этим различные высказы-
вания звучат как прелюдии установления этой истины. Однако только
тот, кто познал истину в ее причинах и продумал ее в ее следствиях, кто
сумел развить все ее содержание и охватить своим взором весь объем
ее применимости, и только тот, кто после этого с полным сознанием ее
значения и ее правильности сумел точно и связно изложить эту истину,
только он является подлинным первооткрывателем этой истины. Только
в том случае будет справедливым признать за человеком, нашедшим ка-
кую-нибудь вещь, право на владение этой вещью, если он, сознавая цен-
ность этой вещи, сохранил ее. Но тот, кому эта вещь попала случайно
в руки, и кто ее затем снова выкинул как ненужный предмет на землю,
конечно, не может считаться ее собственником».
В соответствии с этими словами нам уже будет нетрудно произне-
сти и наш приговор. Хотя Мейер мог бы еще раньше Менделеева уста-
новить периодический закон, но все же Менделеев был тем, кто неза-
висимо от Мейера действительно открыл его и при этом в полной мере
усмотрел его значение и те области, на которые распространяется пе-
риодическая система. Он был первым, кто вывел вытекающие из нее вы-
воды и внедрил эти выводы в науку.
Рассмотрим теперь подробнее периодическую систему и ее законо-
мерности. Мы можем в ней выделить горизонтальные и вертикальные
ряды. В то время, как вертикальные ряды мы будем называть группами
или семействами (которые еще далее можно разделить на главные и по-
бочные подгруппы), горизонтальные ряды называются периодами.^ пер-
вой главной подгруппе мы встречаем щелочные металлы, которые уже и
всегда рассматривались вследствие их сходных свойств в качестве схо-
жих друг с другом элементов. То же самое можем сказать и относитель-
но других подгрупп, из которых вторую мы обозначим подгруппой ще-
лочноземельных металлов, а седьмую — подгруппой галогенов, а группу
благородных газов будем считать либо нулевой группой, расположенной
в начале таблицы, либо одной из подгрупп восьмой группы, помещаемой
в конце периодической системы. Как мы видим, и триады Дёберейнера
снова обнаруживаются внутри периодической системы, благодаря чему
98
они и предстанут перед нами в качестве отдельных членов некоторой бо-
лее общей закономерности. К неожиданным фактам мы придем, если сопо-
ставим числа, выражающие валентность отдельных элементов в связи с
положением этих элементов в периодической системе. С элементами ну-
левой (восьмой) группы — благородными газами — мы уже познакоми-
лись как с элементами, обнаруживающими нулевую валентность. Дру-
гими словами, они не способны соединяться ни с другими элементами,
ни между собой. Щелочные металлы первой группы являются одно-
валентными по отношению к кислороду и т. д. Вообще можно сказать,
что номера групп в верхних заголовках периодической системы ука-
зывают максимальную валентность находящихся в этой группе эле-
ментов по отношению к кислороду. Мы уже теперь можем сказать, что
азот, например, может образовывать соединение N2O5 или что высшее
соединение элемента хлора с кислородом будет соответствовать форму-
ле С12О7. Иначе будет обстоять дело, если мы захотим рассматривать
проявление валентности элементов по отношению к водороду. В этом слу-
чае дело будет обстоять таким образом: в главных подгруппах от IV до
VII групп валентность будет равна числу 8 минус номер группы. Для
углерода, который стоит в IV группе, мы будем иметь 8 минус 4 и по-
лучим для соединения углерода с водородом формулу СН4 или для ки-
слорода 8 минус 6, т. е. 2, что и находит свое отражение в формуле Н2О.
Если мы рассмотрим размещение металлов и неметаллов в пределах
периодической системы, то увидим, что металлический характер воз-
растает сверху вниз и справа налево. В первом периоде находятся литий и
бериллий, являющиеся ясно выраженными металлами, чего уже больше
нельзя сказать о боре. Относительно углерода мы уже знаем, что он,
правда, должен быть признан неметаллом, однако, что он существует
и в одной из трех аллотропных модификаций, которая в виде графита
обнаруживает некоторые металлические свойства. Остальные элементы
этого периода — азот, кислород, фтор и неон — являются газами и
вполне определенными неметаллами, причем точка кипения их пони-
жается, и при этом газообразный характер повышается слева направо.
Соответствующие соотношения мы можем установить также, просле-
див свойства элементов группы, начиная сверху вниз.Возьмем для при-
мера седьмую главную подгруппу — галогены и познакомимся на их
примере ближе с закономерностями периодического закона. Соответ-
ственно нашему правилу валентности мы должны ожидать, что галогены
в их водородных соединениях окажутся одновалентными, а по отноше-
нию к кислороду будут проявлять себя, самое большее, в качестве се-
мивалентных элементов. Так это на самом деле и оказывается. Далее мы
должны будем допустить равномерное изменение свойств как самих эле-
ментов, так и соответствующих соединений. При этом следует ожидать
повышения металлического характера, начиная от фтора к йоду.
Фтор представляет собой газ слабо-желтого цвета с точкой кипения
минус 188°С и с точкой плавления минус 223°С. Удельный вес жидкого
фтора равен 1,108.
7*
99
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
г руппы
ПЕРИОДЫ РЯДЫ 1 II III IV V
1 1 1,0080 Н ВОДОРОД
II 2 6,940 Li ЛИТИЙ 9,013 Вв БЕРИЛЛИЙ S10,82 В БОР 12,011 С УГЛЕРОД 14,008 N АЗОТ
n_L 3 22,991 Na НАТРИЙ 24,32 АЛ g МАГНИЙ *26.98 А1 АЛЮМИНИЙ *28,09 Si КРЕМНИЙ 15 р 30,975 Г ФОСФОР
IV 4 19 IZ 39,100 !\ КАЛИЙ 40,08 С а КАЛЬЦИЙ *44,96 SC СКАНДИЙ Ti 47,” ТИТАН V 50,95^ ВАНАДИЙ
5 CU 63,5*4 МЕДЬ Zl1 65,38 ЦИНК G а 69,72 ГАЛЛИЙ 7*2,60 Ge ГЕРМАНИЙ *74,91 Аб МЫШЬЯК
V 6 85,48 Rb РУБИДИЙ ’«7.63 SГ СТРОНЦИЙ 39 Ж/ 88,92 I ИТТРИЙ 7 г 40 Ду Г 91,22 ЦИРКОНИЙ NW НИОБИЙ
7 A g Ю7,880 СЕРЕБРО са, НАДМИИ In 114.769 ИНДИЙ 118,70 Sn ОЛОВО 121,76 Sb СУРЬМА
VI 8 132,91 С S ЦЕЗИЙ 137,36 Ва БАРИЙ 138,92 La* ЛАНТАН Hf ПЗ.’б ГАФНИЙ Пр 73 1 3 180,95 ТАНТАЛ
9 AU 197,0 ЗОЛОТО Hg200,61 РТУТЬ Т1 204,39 ТАЛЛИЙ 207,21 РЬ СВИНЕЦ 209,00 В1 висмут
VII 10 8(223) ГГ ФРАНЦИЙ 226,05 Ra РАДИЙ 8(227) АС АКТИНИЙ T'U 90 1 П 232,05 ТОРИЙ Ра 231” ПРОТАКТИНИЙ
ВЫСШИЕ окислы r2o RO R,O, RQ RXX
ЛЕТУЧИЕ ВОДОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ RH RH3
•) ЛАНТАНИДЫ 58 59 рх 60 at - 61 ръ 140,13 Св 140,92 Г Г 144,27 iNd (145) Г П1 ЦЕРИЙ ПРАЗЕОДИМ НЕОДИМ ПРОМЕТИЙ 62 с 150,43 ЭГП САМАРИЙ 63 152,0 tU ЕВРОПИЙ
и трансурановые ЭЛЕМЕНТЫ Np(237) Pl! (242 НЕПТУНИЙ ПЛУТОНИЙ ) Am (243) 1 АМЕРИЦИЙ 96 ИЛ (245) НЮРИЙ Bk (249) БЕРКЛИЙ^
Рис. 45. Современная таблица периодической
ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА
э л е м е н т о в
VI VII VIII 0
(Н) 4,003 Не ГЕЛИЙ 1
16,0000 0 КИСЛОРОД ’„.00 F ФТОР 20,183 Ne НЕОН
16 Q 32,066 О СЕРА 35,457 С1 ХЛОР 39,944 АГ APJCQH
С Г 52,01 ХРОМ Mil 54,94 МАРГАНЕЦ Fе 55,85 С 0 58,94 N j 58,69 ЖЕЛЕЗО НОБАЛЬТ НИНЕЛЬ
78,96 Se СЕЛЕН 79,916 ВГ БРОМ 83,8оКГ НРИПТОН
MOsds МОЛИБДЕН Тс (99)43 ТЕХНЕЦИЙ Rll 101,1 Rh 102.91 Pd 106,7 РУТЕНИЙ РОДИЙ ПАЛЛАДИЙ
ш.бТе ТЕЛЛУР 53 I 126,91 J иод в1,з Хе КСЕНОН
W.SI,? ВОЛЬФРАМ Re «б,з7 РЕНИЙ OS 190,2 1Г 192,2 Pt 195,23 ОСМИЙ ИРИДИЙ ПЛАТИНА
и Ро ПОЛОНИЙ 8(210) At АСТАТИН 8(222) RH РАДОН
II** 92 U 238,07 УРАН
RO3 r2o, RO,
rh2 RH
«,Od “M3Tb “M.Dy 5м.Но ГАДОЛИНИЙ ТЕРБИЙ ДИСПРОЗИЙ ГОЛЬМИЙ 68 69 гтч 70 71 । 167,2 СГ 168)941 U 173,041 D 174,99 LU ЭРБИЙ ТУЛИЙ ИТТЕРБИЙ ЛЮТЕЦИЙ
Cf 249 КАЛИФОРНИЙ 99 ЕП(253) ЭЙНШТЕЙНИЙ 100 ГШ(255) ФЕРМИЙ A\d(256°1 МЕНДЕЛЕЕВИЙ
системы элементов Д. И. Менделеева.
Хлор — следующий элемент этой группы представляет собой при
комнатной температуре также газообразное вещество, однако он уже
проявляет в своей окраске усиление цвета. Его желто-зелёная краска
может быть уже явственно различима, каковое обстоятельство и
доставило этому элементу его название. Параллельно с этим проис-
ходит и повышение его точки кипения до минус 34,7°С и точки плав-
ления до минус 103°С, а удельный вес жидкого элемента возрастает
до 1,57.
Относительно следующего элемента — брома мы сможем уже позво-
лить себе сделать на основании имеющегося у нас до сих пор опыта не-
которые предсказания. Он, несомненно, будет темнее, чем хлор, и будет
проявлять и по прочим физическим данным также более высокие зна-
чения. Эти предсказания полностью оправдываются. Бром при нормаль-
ной температуре представляет собой жидкость и окрашен в темный крас-
но-бурый цвет. Его точка кипения равна -[-58,8° С, точка плавления
минус 7,3° С, а его удельный вес равен 3,19. Но все еще мы имеем дело
с ясно выраженными неметаллами.
Йод мы тоже должны еще считать неметаллом; однако этот твердый
серо-черный элемент обладает также и одним металлическим свойством:
он обнаруживает отчетливый металлический блеск. По его данным для
точки кипения -[-184,4°С и для точки плавления -[-113,5° С и по удель-
ному весу 4,93 мы с удовлетворением узнаем, что ожидаемое повышение
соответствующих значений подтверждается.
Взгляд, брошенный нами на периодическую систему, покажет нам,
что под йодом должен находиться еще один элемент из группы галоге-
нов, так называемый экайод, который ныне получил название астатин
и обозначается символом At. Ввиду того что этот элемент крайне не-
устойчив, его до сих пор еще не удалось получить в значительных коли-
чествах и сделать относительно его свойств конкретные указания. Его
существование было установлено в качестве промежуточного члена при
процессах атомных превращений.Но нам теперь нет необходимости иметь
дар ясновидения, для того чтобы утверждать, что в этом элементе мы
будем иметь дело с металлом удельного веса выше 6, сточкой кипения
выше 250°С и с точкой плавления выше 150°С.
Соответствующие аналогии нам показывают и соединения галогенов.
Все четыре галогена образуют водородные соединения; при этом их
устойчивость понижается от фтористого водорода к йодистому водороду.
В то время как у фтористого водорода оба элемента проявляют по отно-
шению друг к другу столь высокое сродство, что сравнительно очень
долго не удавалось выделить из этого соединения фтор в виде эле-
мента; йодистый водород, наоборот, является весьма неустойчивым
соединением и распадается на составные части уже при умеренном на-
гревании Физические константы всех четырех соединений указаны в
приведенной ниже таблице. Следует еще определенно подчеркнуть то
обстоятельство, что в этих соединениях мы имеем дело с соединениями
галогенов с водородом, а не с растворами этих соединений вводе. Таким
102
образом, НС1 представляет собой газообразный (при комнатной тем-
пературе) хлористый водород, а не соляную кислоту.
h2f2 НС1 НВг HG
Точка плавления . . —83° — 115° —86,9° —50,8°
Точка кипения . . . + 195° —85° —66,8° —35,4°
Удельный вес при точ-
ке кипения .... 0,99 1,19 2,16 2,8
Устойчивость: очень велика очень мала
За исключением фтористого водорода, мы и здесь видим соедине-
ния, проявляющие равномерное изменение своих свойств. Наблюдае-
мая при фтористом водороде неправильность легко может быть объяс-
нена тем, что это соединение является «бимолекулярным», т. е. что одна
его молекула образована из двух простых молекул и поэтому со-
держит двойное число атомов. Это и должно вызывать повышение
величины точек плавления и кипения, и удельного веса, как это и видно
на таблице.
Подобные же аналогии мы встречаем также и в других группах
периодической системы. Если мы учтем, что такие взаимоотношения и
переходы встречаются и в нормальных рядах, т. е. в периодах, то мы
поймем, каким образом Менделеев так точно мог установить отсутствую-
щие элементы и их свойства.
Уже давно периодическая система является в высшей степени важ-
ной теорией химии, а также одним из самых незаменимых вспомога-
тельных средств химика, который уже видит перед собой совокупность
элементов не в качестве несвязанного друг с другом скопления этих
элементов, но изучает их распределение по семействам, среди которых
в свою очередь существуют более или менее ясно выраженные объеди-
нения. Зная, на каком месте находится элемент в периодической системе,
химик может уже на основании одного этого вывести целый ряд заклю-
чений относительно свойств данного элемента и многих его соединений.
Правда, в периодической системе можно отметить и некоторые «де-
фекты». К числу этих дефектов можно, например, отнести тот факт, что
некоторые элементы необходимо переставить, как мы это уже видели на
примере теллура — йода. Теллур имеет атомный вес 127,6 и должен
был бы стоять в периодической системе после йода, а не перед йодом,
ибо атомный вес последнего равен 126,9. Однако, как мы знаем, йод по
его свойствам должен непременно быть отнесен к группе галогенов, в то
время как теллур должен принадлежать к группе кислорода — серы.
Так обстоит дело и для калия (атомный вес 39,0) и аргона (атомный вес
39,9). И в этом случае следовало бы поместить аргон перед калием, ибо
аргон представляет собой благородный газ, а калий относится к числу
щелочных металлов. Однако эти несогласованности периодической си-
стемы, несколько нарушающие ее закономерности, в настоящее время уже
не существуют для нас. Атомная физика показала, что свойства элемен-
тов не являются, как это вынужден был в свое время признать Менде-
103
леев, функцией атомного веса, но функцией порядкового номера, относи-
тельно которого мы уже знаем, что он определяется числом положитель-
ных зарядов в ядре, или числом протонов. Если мы примем за основу по-
следовательности элементов порядковые номера, то место калия будет на-
ходиться после аргона, а место йода — после теллура, и существовав-
шие до того упомянутые несогласованности исчезнут сами собой.
В третьей главной подгруппе мы обнаружим ряд элементов, кото-
рые вследствие их почти одинаковых свойств должны были бы занимать
одно и то же место,— то, какое занимает лантан. Однако по недостатку
места поместить их таким образом оказалось невозможным, и в этом слу-
чае пришлось прибегнуть к тому, чтобы только один начальный элемент
этого ряда, а именно лантан, внести в соответствующую клетку перио-
дической таблицы. Остальные элементы,так называемые редкоземельные
элементы или лантаниды, пришлось поместить вне таблицы периодиче-
ской системы, хотя они и должны помещаться в этой таблице вместе с
лантаном, на том же месте.
Еще Менделеевым и Мейером была предложена сжатая коротко-
периодная форма периодической таблицы, достоинства которой долж-
ны были компенсировать несколько малую обозримость. Часто приме-
няемая в настоящее время длиннопер иодная система является, прав-
да, менее удобной, но зато она отличается большей обозримостью. При
этой форме таблицы и длинные периоды оказываются расположенными
рядом друг с другом, причем элементы распределены по главным и по-
бочным подгруппам. Она представляет собой не более, как другой спо-
соб оформления первоначальной периодической системы, но ни в ка-
кой мере не связана с чем-либо качественно новым. То же самое отно-
сится также и к системе, предложенной Антропоффом, в ко-
торой короткопериодная форма таблицы представлена, может быть,
и с несколько большей наглядностью. В этой таблице сходства элемен-
тов указаны при помощи стрелоподобных полей, снабженных одина-
ковой исчерченностью. Какой таблице мы отдадим преимущество, это-
является частным делом каждого из нас. Содержание всех этих таблиц
остается одинаковым, изменяется лишь их форма1.
1 За 75 лет, прошедших с того времени, как Менделеев предложил свою таблицу,
она пережила сотни различных вариаций, проникнутых стремлением со стороны многих
авторов, порой крупных ученых, возможно более совершенно отобразить основные сто-
роны периодического закона. Многие из этих попыток были сделаны еще при жизни
Менделеева, о них он знал и подверг подробному анализу во втором томе «Основ хи-
мии» («Основы химии», изд. 12, т. II, стр. 385—386); значительное число вариантов
периодической системы дано в сборнике «Юбилейному Менделеевскому съезду» в озна-
менование 100-летней годовщины со дня рождения Д. И. Менделеева (АН СССР, Гос-
химиздат, 1934). Эти попытки не прекращаются и до настоящего времени. Особенную
изобретательность проявили в этом отношении американские педагоги. Было весьма
много попыток изображения периодической системы с помощью прямолинейных коорди-
нат на плоскости и спирали на плоскости. Были сделаны попытки перехода от двухмер-
ной системы к трехмерной — спирали на поверхности конуса, к расположению элементов-
на пирамиде, цилиндре и т. п. И все же ни один из этих вариантов не внес в таблицу
104
п Н
6 1 II III IV V VI - VII VI»
Не и Be в c N 0 F Ne
Ne Na Mg Al Si P s СГ Arj
0 la на ша iva va via vita vnia lb lib lllb IVb Vb Vlb VII b VHIb
Аг К Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Кг Rb Sr Y Zr Nb Ma Tc Ru Rh Pd Ag Cd Jn Sn Sb Те J X
X Cs Ba Laf HF Ta W Re Os Jr Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn
Rn Fr Ra Ac Th Pa •
Лантаниды f
Ce | i Pr Nd] Pm Sm Gd lTbl by! lJj Ho] ГЁг i Tm Yb Cp
Ураниды|| Np | Ри| Am|Cm| Вк[ Cf |
Рис 46. Периодическая система элементов по Антропоффу.
ничего принципиально нового. Правда, отдельные частности в некоторых предложенных
вариантах выражались несколько лучше, но в целом они хуже выражали периодичность
в изменении свойств элементов. Возможно, что все эти попытки создания нового вариан-
та таблицы периодической системы вытекают из незнания той поистине изумительной
аргументации, которую Менделеев развил в защиту предложенной им формы таблицы.
К разрешению этого вопроса Менделеев подходил как истинный материалист-диалек-
тик. Он считал неправильным изображение периодической системы на плоскости по
прямоугольным координатным осям, из которых по оси абсцисс откладываются атомные
веса, а ординаты выражают свойства, например удельные объемы, температуры плавле-
ния и пр. Способ этот не только не отражает сущности периодического закона, а иска-
жает его. Здесь нет прежде всего указания на скачкообразность и разрыв в изменении
свойств элементов. Сплошными линиями всегда изображают непрерывность функций, а
потому они не могут показать, что свойства элементов «переходов непрерывных не
представляют» (Менделеев). С другой стороны, такой график не может ясно пока-
зать, что между двумя соседними элементами нет и не может быть никаких промежу-
точных элементов, свойства которых можно было бы интерполировать. Наоборот, если
элементы не являются соседями, то между ними могут быть вставлены новые, свойства
которых можно предсказать. «Периодический закон,—пишет Менделеев,—поэтому сле-
дует выражать не геометрическими линиями, всегда подразумевающими сплошность, а
вроде того, как поступают в теории чисел, — прерывно. По этим соображениям я никог-
да не выражал и выражать не буду периодических отношений элементов никакими
геометрическими фигурами» (Менделеев, Основы химии, изд. 12, т. II, 1934, стр. 386).
105
В НЕДРАХ ВЕЩЕСТВА
Мы должны признать, что сказанное до сих пор относительно ва-
лентности элементов и относительно возможности их взаимодействия
друг с другом все же весьма мало могло нас удовлетворить. Ведь мы про-
сто утверждали, что кислород всегда бывает двухвалентным, а водород
всегда должен быть одновалентным. Мы узнали, что кислород имеет боль-
шую склонность вступать в соединение с другими элементами, имеет
большое сродство к ним, а благородные газы, наоборот, вообще «не
желают» образовывать соединений и встречаются только в свободном
виде, в виде элементов. Наконец, в последней главе мы говорили о не-
одинаковой валентности элементов по отношению к кислороду и водо-
роду и тем самым еще в большей степени дифференцировали понятие
валентности. То и дело мы получали различные факты и результаты
опытов, но в очень малой степени старались выяснить причину этих
явлений.
Обратимся поэтому снова к выяснению тонкого строения веществ
и прежде всего возобновим в памяти все то, что мы уже узнали относи-
тельно строения атомов.
Все элементы построены из мельчайших частиц, из атомов. Если по
представлениям Дальтона атомы еще были компактными шариками, то
в настоящее время мы знаем, что они состоят из еще более мелких частиц.
Такой частицей прежде всего является ядро атома. Оно является
носителем массы и положительного заряда и состоит из протонов с мас-
сой (атомным весом), равной 1, и с одним положительным зарядом, а
также из нейтронов, отличающихся от протонов только своей электро-
нейтральностью. От одного элемента к другому возрастает число прото-
нов на единицу и вместе с тем повышается и порядковый номер соответ-
ствующего элемента. В тех случаях, когда нам удается изменить число
протонов в атомном ядре какого-нибудь элемента, этот элемент пре-
вращается в другой элемент.
Нейтроны не играют столь решающей роли. Они содержатся в ядре
приблизительно в двойном количестве по сравнению с протонами и в пер-
вую очередь служат для того, чтобы сдерживать одноименно заряжен-
ные протоны в ядре. Они как бы являются цементом, который скрепляет
внутри ядра протоны. Однако мы тем не менее должны представлять
себе, что вопреки такому действию нейтронов элементы по мере возра-
стания их порядкового номера, т. е. по мере роста положительного за-
ряда их ядра, становятся все в меньшей мере устойчивыми.
В настоящее время в средней и высшей школе обычно применяется короткая таб-
лица, предложенная Менделеевым, конечно, дополненная согласно последующим научным
открытиям. Она имеет очень много положительных сторон. Физики, однако, утверждают,
что современные представления о строении атомов, вскрывающие сущность периодиче-
ского закона, заставляют прибегать к новой форме таблицы, развернутой на длинные
периоды. (Ред.)
106
н не
N6
Рис. 47. Структура атомов водорода, гелия
и неона.
отличается водород. Его порядковый
Ввиду того что как протоны, так и нейтроны имеют одинаковый
вес, атомный вес представляет собой сумму числа всех протонов и нейт-
ронов.
Вокруг ядра вращаются по круговым или эллиптическим орбитам
электроны, которые имеют значительно меньшую массу, чем протоны или
нейтроны, и вместе с тем своим отрицательным зарядом компенсируют по-
ложительные заряды атомного ядра. На каждый протон приходится по
одному электрону в ядерной оболочке. Согласно атомной модели Рёзер-
форда — Бора эти электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом
от него расстоянии, но должны
двигаться по совершенно опре-
деленным орбитам. Невозмож-
ным также является нахожде-
ние на этих орбитах или в
этих слоях произвольного чис-
ла электронов. В ближайшем
к ядру слое К могут находиться
самое больЩое два электрона,
следующий слой L состоит из
восьми электронов, а третий
слой М — из восемнадцати элек-
тронов и т. д.
Какая же зависимость су-
ществует между строением
атома, валентностью и поло-
жением атомов в периодической
системе? Представим себе об-
разно атомы первого периода.
Наиболее простой структурой
номер 1 и атомный вес 1 говорят о том, что его атом состоит из одного
протона в ядре и одного электрона в К-слое. Гелий имеет порядковый
номер 2 и атомный вес 4. Таким образом, он располагает 2 протонами
и четырьмя минус два, т. е. двумя нейтронами в ядре, в то время как
К-слой полностью занят обоими электронами. Соответственным обра-
зом обстоит дело и у дальнейших элементов с той лишь разницей, что
теперь следующие присоединяющиеся элементы внедряются в L-слой.
Неон, имеющий порядковый номер 10, будет иметь в ядре 10 протонов,
и число нейтронов, равное его атомному весу минус порядковый номер,
т. е. 20—10= 10 нейтронов. Десять имеющихся у неона электронов рас-
пределяются таким образом, что два из них будут находиться в К-слое,
а восемь остальных в L-слое. Таким образом, оба слоя окажутся запол-
ненными.
Водород и литий являются в противоположность кислороду од-
новалентными элементами и имеют по одному одинаковому электро-
ну во внешнем слое. Бериллий — двухвалентный элемент и имеет
во внешнем слое два электрона. У четырехвалентного углерода мы
102
находим четыре, а у фтора, который по отношению к кислороду может
максимально проявлять валентность 7, находим во внешнем слое
семь электронов. Это тождество чисел, выражающих валентность эле-
мента по отношению к кислороду и количество электронов в его внеш-
нем слое, ведь не может быть случайностью. Однако рассмотрим этот воп-
рос далее. Мы говорили, что валентность углерода равна четырем также
и по отношению к водороду, и что валентность азота по отношению к во-
дороду равна трем, а валентность фтора по отношению к водороду — еди-
нице. Эти числа мы получим, если дополним до восьми число электро-
нов, находящихся во внешних слоях названных элементов. У углерода
до восьми не хватает четырех электронов, у азота — трех электронов
и у фтора — одного электрона. Но ведь эти числа, недостающие до вось-
ми электронов, и являются ни чем иным, как числами, выражающими
Li Be 8 С N 0 г
' 4 © ) ! 4 © ♦) I 4 © 4 • I ♦ © 4 Н ( © 4 4 И © И <7 © 4 4
ч'—у К'-'У 'ч'-'У ‘<'--'7
Рис. 48. Электронные оболочки атомов элементов 1-го периода.
валентность по водороду. И здесь мы устанавливаем взаимоотношение
между числом внешних электронов и валентностью.
Наконец, рассмотрим теперь с этой точки зрения благородные газы
и для этой цели выберем два из них. Ведь валентностью по отношению
к водороду мы называли число недостающих до окончательного запол-
нения внешнего слоя электронов. Но как у гелия, так и у неона, внешний
слой достроен полностью, откуда и следует, что валентность их равна
нулю. Под валентностью по отношению к кислороду мы разумели число
электронов во внешнем слое. Мы можем себе представить у гелия К-слой
в качестве внутреннего слоя, окруженного внешним слоем, не содержа-
щим ни одного электрона. В соответствии с этим валентность благород-
ных газов по отношению к кислороду тоже должна быть равной нулю,
что и подтверждается на самом деле.
Из того, что мы узнали до сих пор, нетрудно заключить, что атом-
ная структура благородных газов является наиболее устойчивой. К ней
атомы других элементов могут только стремиться.Так это и есть на са-
мом деле. «Стремление» каждого атома заключается в том, чтобы достиг-
нуть состояния атома благородного газа или конфигурации благородного
газа, т. е. приобрести достроенный внешний слой. Это может быть до-
стигнуто либо путем отдачи тех электронов, которые находятся на внеш-
них орбитах, либо путем принятия новых электронов в таком числе, ко-
торое необходимо для достройки внешнего слоя.У атома лития окажется,
что его единственный электрон из L-слоя будет у него отнят, и при этом
получится образование, ядро которого будет, как и до этого, занято тре-
108
мя протонами, но у которого останутся только два электрона, принадле-
жащих его К-слою. Эти два электрона образуют такой же слой, какой
имеется и у гелия, стоящего в периодической системе до лития. Если до
того литий был по отношению к внешнему окружению электрически
нейтрален, то после отнятия у него одного электрона он будет заряжен
одним положительным зарядом. С точки зрения физика, это образо-
вание все еще будет называться литием, ибо вследствие неизменив-
шегося числа зарядов в ядре этот элемент не может быть признан пре-
вратившимся в другой элемент. Однако он все же не остался прежним
атомом лития, ибо он проявляет теперь другие свойства по сравне-
нию с элементарным металлическим литием. В противоположность
последнему он не будет уже взаимодействовать с водой с образова-
нием водорода. По предложе-
нию Фарадея, такие электри-
чески заряженные атомы назы- / \ / \
вают ионами, что по-гречески / ZJJTN \ / ХГХ \
означает — странник, ибо они Ф у у Van у Ф
под влиянием электрического \ " / \ /
напряжения «странствуют», Ч ______________/ /
приходят в движение. Таким
Ион лития
Атом гелия
образом, при отдаче одного
электрона ИЗ атома лития обра- Рис. 49. Равенство числа электронов у иона
зуется ион лития, обнаружи-
лития и атома гелия.
вающий один положительный
заряд и электронную структуру благородного газа гелия. А как
обстоит дело у углерода? Для того чтобы приобрести конфигурацию
благородного газа, в этом случае имеются две возможности. Одна
из них заключается в том, чтобы оторвать, как и у лития, от углеродного
атома электроны, причем на этот раз не один, а целых четыре. При этом
К-слой исчезнет, и образовавшийся таким образом ион углерода приоб-
ретет электронную конфигурацию гелия. Ввиду того что при отнятии
четырех электронов будут удалены одновременно и четыре электриче-
ских заряда, углеродный ион окажется заряженным четырьмя положи-
тельными зарядами. Вторая возможность для приобретения атомом уг-
лерода конфигурации благородного газа заключается в том, чтобы он
приобрел внешний слой, достроенный до полного заполнения электро-
нами путем приобретения новых четырех электронов на каждый атом.
Образующийся при этом ион углерода приобретет конфигурацию не-
она, т. е. тоже конфигурацию благородного газа. Ввиду того что на
этот раз вместе с присоединившимися лишними электронами нейтраль-
ный атом приобретет и четыре новых отрицательных заряда, а заряд
ядра останется таким же, каким он был, образовавшийся ион окажется
заряженным четырьмя отрицательными зарядами. В заключение рас-
смотрим, как будет обстоять дело для фтора. Опять-таки либо должны
быть оторваны семь электронов и благодаря этому достигнута электрон-
ная конфигурация гелия, а вместе с тем и семизарядный положительный
109
ион фтора, либо, что будет еще проще, дело пойдет по пути образова-
ния достроенного неонового слоя благодаря присоединению недостаю-
щего электрона, в результате чего образуется заряженный одним отри-
цательным зарядом ион фтора. Мы можем, таким образом, говорить о по-
ложительной и об отрицательной валентности. Первая достигается пу-
тем отдачи электронов, а при второй в электронный слой поступают но-
вые электроны и вместе с ними и отрицательные заряды. Таким обра-
зом, валентность уже не является произвольно приписанным свойством
элементов, но она находит естественное объяснение на основании самого
строения атомов.
Но как обстоит дело с водородом? Мы могли бы ожидать, что он при-
соединит к себе электрон и приобретет таким образом конфигурацию ге-
лия и один отрицательный за-
ряд. Однако в большинстве
случаев этого не происходит.
Обыкновенно водород отдает
свой единственный электрон и
переходит таким образом в за-
ряженный одним положитель-
ным зарядом ион. А конфигу-
рация благородного газа? Раз-
ве она не представляет собой
в виде тенденции достижения
устойчивого образования имен-
но ту цель, которая осуществ-
ляется при присоединении или
при отдаче электронов? Конеч-
но это так, и в этом отношении
мы и для водорода не делаем
исключения. Нам необходимо,
однако, только заметить, что
водородный ион тоже как бы
характеризуется достроенным
слоем, а именно таким, кото-
рый совсем не содержит ни одного электрона. В соответствии с этим
можно было бы сказать, что он имеет электронную конфигурацию тех
элементов, которые не имеют совсем электронов и вместе с тем не имеют
и протонов в ядре. Чтобы такой атом не превратился совсем в одно
только пустое воображение, мы должны ему предоставить немного мас-
сы, хотя бы в виде нейтрона, находящегося в ядре. Такой элемент
будет иметь порядковый номер «нуль». Он должен был бы на основании
своего «достроенного» электронного слоя и на основании своей неспособ-
ности взаимодействовать с другими элементами быть признан своего рода
благородным газом. Интересно, что этот «нулевой элемент»—нейтрон
был предсказан еще до своего открытия Антропоффом. Дело в том, что
астрофизика пришла к выводу, что некоторые немногие небесные светила
ПО
должны отличаться неимоверно высокой плотностью, превышающей
более чем в тысячу раз плотность Земли. Антропофф объяснял это пора-
зительное явление предположением, что существует «нулевой элемент»,
который не содержит никаких электронных слоев и ядра которого вслед-
ствие их нейтральности могут очень тесно сближаться друг с другом.
Мы уже знаем, что наша материя вследствие чрезвычайно рыхлой струк-
туры атомов лишь в незначительной части состоит из массы. В «нулевом
элементе» осуществляется случай, когда частицы массы очень близко под-
ходят друг к другу и должны
поэтому обусловливать неи-
моверное увеличение удель-
ного веса.
Однако вернемся к на-
шим ионам. Мы научились
различать среди них такие,
которые имеют положитель-
ные заряды от тех, для кото-
рых характерными являются
отрицательные заряды. Чис-
ло зарядов мы впредь будем
обозначать маленькой циф-
рой, поставленной справа
выше символа соответствую-
щего элемента. Поставлен-
ный после цифры знак плюс
или минус будут нам указы-
вать знак зарядов. В соответ-
ствии с этим водородный ион
мы будем изображать сим-
волом Н +, ион лития—сим-
волом Li +, ионы фтора бу-
Рис. 51. Переход атома фтора в ион фтора.
Р~-ион
дут иметь одно из обозна-
чений между F7+ и F~. Все положительные ионы мы будем называть
катионами, ибо они «странствуют» «вниз» по направлению к отрицатель-
ному полюсу — катоду, а отрицательно заряженные ионы, которые
будут странствовать «кверху» к положительному аноду, мы будем
называть анионами.
Мы уже в достаточной степени познакомились с понятием о валент-
ности и сумеем понять объяснение валентности на основании периоди-
ческой системы. Открытым остается, однако, для нас вопрос о природе
химической связи, о химическом сродстве.
Для выявления этого вопроса возьмем в качестве примера соедине-
ние между элементами литием и фтором, которое мы должны обозначить
формулой LiF и которое существует фактически. Как атом лития, так
и атом фтора охотно перешли бы в ионную форму и восприняли бы таким
путем конфигурацию благородных газов, к достижению которых у них
111
Li*-MOH F -ион
Рис. 52. Образование фторида лития.
имеется тенденция. Что для этого необходимо? Для этого литий
должен был бы отдать один электрон, в то время как фтору пришлось
бы либо отдать семь своих электронов, либо завладеть одним чужим
электроном. Отдача обоими атомами своих электронов является не-
возможной, ибо эти избыточные электроны должны же куда-нибудь
деваться и, кроме того, результатом этого было бы то, что при образо-
вании соединения оба участка оказались бы заряженными положи-
тельно, а следовательно, и соединение имело бы сильный положитель-
ный заряд. Но такое соединение было бы неспособно к существованию,
ибо в результате одинаковых зарядов возникли бы могучие отталкива-
ющие силы, которые вос-
препятствовали бы самому
образованию такого соедине-
ния. Гораздо вероятнее, сле-
довательно, допустить, что
литий будет отдавать элект-
рон, который затем будет
захватываться фтором, и что
при этом атом фтора преоб-
разуется в ион фтора, заря-
женный одним отрицатель-
ным зарядом. В результате
такого перемещения зарядов
образовавшаяся молекула
сделается нейтральной, ибо
у иона фтора имеется в из-
бытке один электрон, кото-
рого как раз и не хватает
у иона лития. Оба участника
реакции приобретают конфи-
гурацию благородных газов,
оба участника заряжены
противоположными электрическими зарядами, и согласно закону при-
тяжения разноименных зарядов мы сможем объяснить и связь обоих
ионов в молекуле. Но мы при этом отметим, кроме того, и еще кое-что,
а именно то, что это соединение построено из ионов, причем эти ионы
образуются не тогда, когда это соединение растворяется в воде, как
думали раньше, но что они имеются налицо в готовом виде уже и в твер-
дом веществе, в кристалле.
Соответственно этому можно формулировать и связь между литием
и кислородом в окиси лития Li2O. Для достройки электронного слоя
один кислородный атом нуждается в двух электронах, которые в свою
очередь могут быть доставлены только двумя атомами лития. Благодаря
этому кислородный атом переходит в двухвалентный отрицательный ион,
в то время как литий содержится в этом соединении опять-таки в виде
иона, заряженного одним положительным зарядом,— в виде катиона.
112
В этом случае также осуществляется электронейтральность в пределах
соединения, и сродство находит свое объяснение в противоположности
действующих друг на друга зарядов.
Этот характер связи, основанный на противоположности зарядов
обоих участников, приобрел название гетерополярной связи или, коро-
че, полярной, или ионной, связи. Ввиду того что такая связь встречается
главным образом в кислотах, основаниях и солях, причем она особен-
но ярко выражена именно в солях, ее называют иногда также и соле-
вой связью.
Li-атом
о-атом
Li-атом
Li4-ион
Рис. 53. Образование оксида (окиси) лития.
Li*-ион
Если бы мы захотели сделать выводы из того, о чем только что было
сказано, то должны были бы принять, что всякое растворимое в воде
соединение находится в ионной форме, и это можно было бы проверить
путем исследования по методу электропроводности. Но мы в этом случае
убедились бы, что существуют и многие такие соединения, которые, хотя
и растворимы в воде, но все же не являются в растворенном состоянии
проводниками электрического тока, и, следовательно, не могут быть
построенными из ионов. Это означает,что нам необходимо поискать еще
и иные формы химической связи.
Обратимся к простейшему случаю и спросим, каким образом свя-
заны два атома водорода в его молекуле? Снова приходится отметить,что
у обоих атомов водорода отмечается тенденция каким-либо способом при-
обрести конфигурацию благородного газа.
8 3. Шпаусус 113
Если каждый из двух лиц А и Б желают построить собственный
дом, который стоит 20 000 марок, но каждый из них располагает
только 10 000 марками, то для них все же имеется возможность иметь
такой дом. Они соединяют свои деньги и тогда совместно являются
обладателями требуемой суммы, после чего могут построить дом. Они
живут теперь совместно в доме, стоящем 20 000 марок, причем каждый
из них участвовал в общем деле половиной этой стоимости. Увеличение
капитала каждого является, таким образом, только кажущимся лишь
до тех пор, пока они делают общее дело. Стоит им задумать произве-
сти раздел, причем каждый захочет забрать свою часть строения, как
продукт их былого объединения окажется разоренным. На этом при-
мере стремления к приобретению общего дела мы можем убедиться и
в силе взаимной привязанности, в дружбе между компаньонами А и Б.
Рис. 54. Образование молекулы водорода.
Аналогичным образом обстоит дело и с нашими водородными ато-
мами. Каждый из них должен был бы иметь в своем слое два электрона,
чтобы таким образом повторить атомную структуру благородного газа
гелия. Для этого имеется только одна возможность. Каждый электрон
предоставляет свой электрон в совместное распоряжение. Оба ядра сбли-
жаются, и оба электрона совместно движутся вокруг обоих водородных
ядер, которые уже в качестве молекулы будут иметь конфигурацию бла-
городного газа. Здесь сознательно подчеркнуто слово «в качестве моле-
кулы», ибо мы не можем сказать, что каждый атом будет иметь в своей
оболочке два электрона. Это будет продолжаться лишь до тех пор, пока
они будут совершать общее дело. Как только они будут разделены, они
тотчас увидят себя снова одинокими, каждый со своим единственным элек-
троном, и, разумеется, снова будут стремиться к тому, чтобы тем или
иным путем, на этот раз, может быть, путем своего перехода из атома в
ион, приобрести конфигурацию благородного газа. Эта точка зрения
объясняет сильную активность вещества «в состоянии выделения», «in
statu nascendi».
Однако мы еще не вполне объяснили для этого случая образование
химической связи. Общая электронная пара обращается вокруг обоих
атомных ядер, и оба они проявляют себя так, как будто представ-
ляют собой один атом. Эта общая пара, электронная пара, и является
причиной той связи, которая сдерживает оба атома, и вместе с тем она
114
олицетворяет связующие силы. Этот характер связи обозначают тер-
мином гомеополяр ной связи, ее называют также молекулярной связью 1.
Мы встречаем такую связь, как уже было выше указано,, в газообразных
элементах и прежде всего в большинстве органических соединений. Мы
углубим наши знания о химической связи описанного только что ха-
рактера на несколько более сложном примере.
Рассмотрим самое простое соединение углерода с водородом — ме-
тан СН4. В одной молекуле метана мы имеем один углеродный атом,
который для заполнения своего L-слоя нуждается в четырех электро-
нах; далее мы имеем четыре водородных атома, из которых каждый
Н'Этом Н-атом
Н-атом н-атом
Рис. 55. Образование молекулы метана.
СН^ -молекула
нуждается в одном электроне для достройки своего К-слоя. И в данном
случае атомы различных элементов окажут друг другу взаимную услу-
гу тем, что каждый водородный атом предоставит свой единственный
электрон, а углеродный атом предоставит по одному электрону для об-
разования общим числом четырех общих электронных пар. Четырежды
два электрона для углерода — это как раз составит восемь необходимых
электронов, по одной электронной паре на каждый из четырех водород-
ных атомов. Эго вполне удовлетворит потребность в электронах, прояв-
ляемую водородными атомами.
Как ионная связь, так и молекулярная связь представляют собой
идеальные случаи, которые в чистом виде встречаются лишь довольно
редко. В большинстве химических соединений проявляются переходы
между обоими типами химической связи.
Совершенно иную форму связи мы должны принять для металлов.
Мы ведь уже знаем, что их хорошая электропроводность объясняется
1 Связь атомов посредством электронных пар называют также атомной или кова*
рентной связью. (Ред )
8* 11$
тем, что в их твердой кристаллической решетке присутствуют свобод-
ные электроны, которые в противоположность металлическим атомам
передвигаются в определенном направлении под влиянием приложен-
ного к металлам электрического напряжения и тем самым обусловливают
электропроводность. В металлической решетке присутствуют атомы ме-
таллов, которые в противоположность атомам неметаллов легко отдают
свои внешние электроны. Ввиду того что в металлах присутствуют лишь
атомы одного и того же элемента, которые все имеют тенденцию отдавать
электроны, но не проявляют тенденции их удерживать, эти свобод-
ные электроны толпятся и «бродяжничают» в решетке, и это им в связи
с их малыми размерами удается делать с большой легкостью. При этом
они все же как бы играют роль посредников между одноименно заряжен-
ными ионами металлов.
До сих пор мы имели дело все же с простыми типами химической
связи, природу которых можно было по существу легко рассмотреть.
Иначе обстоит дело у так называемых комплексных соединений. Уже са-
мое это название может внушить страх. Но давайте попробуем остаться
незараженными этим чувством и обрисуем несколькими словами эту весь-
ма обширную область химии.
Возьмем два соединения, строение которых мы легко сумеем понять
по валентностям их компонентов. В хлорном олове (IV) SnCl4 ион олова
заряжен четырьмя положительными зарядами. Поэтому соответственно
нашему сильно схематизированному методу обозначение олова имеет
четыре валентных черточки, которые олово стремится насытить при
образовании своих соединений. В данном случае это осуществляется при
помощи четырех ионов хлора, несущих по одному отрицательному заря-
ду. Если мы захотим написать структурную формулу этого соединения,
то она будет иметь следующий вид:
С1
I
Cl—Sn—С1
I
С1
Здесь все валентности насыщены.
Те же соображения мы можем применить и по отношению к хлори-
стому водороду НС1. И в этом случае мы имеем дело с образованием
ионов, при котором как хлор, так и водород проявляют валентность,
равную единице. По отношению к хлористому водороду не может явить-
ся даже мысли о том, чтобы выразить его какой-либо другой формулой,
кроме формулы НС1. Но что произойдет, если мы сольем вместе растворы
SnCl4 и НО? Собственно говоря, ничего не должно произойти, ибо на-
ми уже было установлено, что при образовании обоих соединений были
использованы полностью все единицы сродства. К тому же можно заме-
тить, что все атомы в этих соединениях проявили свою высшую возмож-
ную валентность и что о каком-либо дополнительном присоединении
в результате повышения валентности атомов не может быть и речи.
116
И все же хлорное олово и хлористый водород вступают во взаимо-
действие друг с другом в соответствии с уравнением:
SnCl4+2HCl -> SnCl6H2.
Рис. 56. Образование молекулы SnCl6H2.
один атом олова, который в результате
При этом образуется совершенно непонятное соединение, в отношении
которого все нами достигнутые до сего времени взгляды относительно ва-
лентности и структуры оказываются постыдно несостоятельными. В дан-
ном случае пришлось бы допустить существование восьмивалентного
олова, которого, однако, не существует. Само соединение должно пред-
ставлять собой кислоту, что в особенности вытекает из того, что оно спо-
собно «диссоциировать» с образованием «кислотного остатка» 5пС1б~2
и двух водородных ионов 2Н+, и образовывать соли, например SnCl6Na2.
Из хлорного олова и хло-
ристого водорода, которые
представляют собой соедине-
ния I порядка, образова-
лось соединение более вы-
сокого порядка, SnCl6H2.
Но как нам следует пред-
ставлять себе структуру
того соединения, как могут
четыре «руки» олова присо-
единить к себе в итоге восемь
одновалентных атомов хлора
и водорода?
Мы сумеем разобраться
в этом вопросе, если не-
сколько основательнее рас-
смотрим пространственное
построение этих молекул.
Заштрихованный кружок на
рисунке 56 должен изображать
отдачи четырех электронов превратился в заряженный четырьмя поло-
жительными зарядами ион олова. До сих пор мы представляли себе
валентность в виде «рук», в виде «валентных черточек», однако уже
при обсуждении ионных связей мы пришли к убеждению, что в резуль-
тате положительных зарядов иона в его окружности должно су-
ществовать электромагнитное поле, в пределах которого противополож-
но заряженное тело испытывает действие притягательной силы. Сила
поля, а потому и сила притяжения, будет все время понижаться по мере
увеличения расстояния от центрального атома.
Вследствие такого концентрического распределения зарядов че-
тырехзарядный положительный ион олова сможет притягивать не
только четыре отрицательных заряда, но и все отрицательные ионы,
находящиеся в его окружении.
117
Однако ввиду того что притяжение отрицательных зарядов очень
быстро понижается по мере увеличения расстояния их от центра тяже-
сти положительных зарядов, прочно связанными окажутся только те
ионы, которые находятся непосредственно около иона олова. Их число
зависит от величины катиона и от величины анионов. Для хлорного
олова вокруг иона олова расположены четыре иона хлора, как это и
показано на рисунке. Мы также видим, что при этом еще не оказывает-
ся достигнутым предел присоединения. Если к этому соединению
подойдут еще дальнейшие ионы хлора, то вокруг иона олова могут
присоединиться к нему шесть таких анионов, благодаря чему получит-
ся образование иона SnCl6, который может иметь два отрицательных
заряда и к которому смогут присоединиться два одновалентных катиона,
например Н+. В этом случае мы получим прочный комплекс [SnCl6]",
с которым будут связаны два водородных иона. В то время как четыре
иона хлора связаны с ионом олова так называемыми главными валент-
ностями, остальные ионы хлора будут связаны с ним побочными валент-
ностями, изображенными пунктиром:
С1
I
Cl-Sn—С1+2Н—С1->
С1
Cl^1 ,С1 2
Sn 2Н+
.c/ci'ci.
Мы ограничимся сказанным относительно комплексных соединений.
Укажем только еще на то, что таких соединений существует больше, чем
можно себе представить, и что даже такое обыкновенное и знакомое для
нас соединение, как серная кислота H2SO4, относится к обширной обла-
сти комплексной химии.
Все чаще мы в последних главах говорили о кислотах и солях, не от-
давая себе отчета в том, что они собой представляют. Обратимся теперь
к изучению этих групп веществ.
кислоты, ОСНОВАНИЯ, соли
После всяких мытарств мы теперь можем привести элементы при
помощи периодической системы в очень стройный порядок. Мы располо-
жили их в различные группы, которые были установлены не произволь-
но, но с учетом структуры соответствующих атомов. Эти ряды позволили
нам рассмотреть эти элементы с единой точки зрения.Еще более необхо-
димым нам представляется такой же принцип упорядочения и для дру-
гих веществ — для соединений, которые образуют гораздо более много-
численную часть материального мира. Быть может, и здесь мы сумеем
провести аналогичное разделение и сделать их большое разнообразие
более доступным для обозрения. Отправимся в лабораторию какого-ни-
будь химика, чтобы создать ясность в этом вопросе. Настойках в лабора-
тории мы увидим множество склянок, в которых находятся разнообразные
118
вещества. Попробуем испытать, не удастся ли нам и в этих веществах
установить что-либо общее. Прежде всего возьмем красные и синие
лакмусовые бумажки для того, чтобы исследовать, как будут себя вести
растворы имеющихся веществ по отношению к этим полоскам бумаги.
Погрузим для этой цели каждый раз по одной красной и по од-
ной синей бумажке в различные растворы. При этом мы установим,
что некоторые вещества не изменяют цвета ни красной, ни синей бумажек;
встречаются, однако, и такие вещества, которые окрашивают красную
бумагу в синий цвет, а также и такие, которые, наоборот, синюю бу-
магу окрашивают в красный цвет.
Достигли мы благодаря этому чего-нибудь? Разумеется! При помощи
этих опытов мы обнаружили три группы веществ, которые нам и пред-
стоит последовательно рассмотреть. Сначала обратимся к тем вещест-
вам, которые окрашивали синюю лакмусовую бумагу в красный цвет.
В этих веществах мы обнаружим еще одно общее для них всех свойство,
причем в наших собственных интересах мы должны будем при установ-
лении этого свойства соблюдать осторожность. Разбавим эти вещества
водой и небольшое количество их раствора нанесем кончиком пальца
на язык. При этом мы ощутим явственный кислый вкус. На этом осно-
вании мы отнесем эту группу веществ к числу кислот, с двумя общи-
ми свойствами которых мы уже познакомились. Во-первых, все кислоты
имеют кислый вкус — это представляет собой субъективный признак,
который, однако, не всегда может быть воспринят и, во-вторых, они
изменяют синий цвет лакмуса на красный. Этот второй метод испы-
тания является более надежным и менее опасным, ибо целый ряд ки-
слот не следует пробовать на язык.
«Много ли кислот существует?» — такой вопрос, может быть, будет
нам предложен. «Я, например, знаю только угольную кислоту в пиве
и уксусную кислоту в домашнем хозяйстве».
Ну, здесь был, положим, приведен очень скромный выбор. Правда,
я не пересчитывал все кислоты, но могу по совести заверить, что их име-
ется большое число. Разумеется, не все они играют в науке и в технике
одинаково важную роль. В сущности мы можем назвать сравнительно
небольшое число кислот, с которыми химик уже давно имеет дело,напри-
мер соляную кислоту, серную кислоту, азотную кислоту, фосфорную
кислоту и угольную кислоту. Однако и названными кислотами их
список далеко не будет исчерпан. Но как это может случиться, что все
кислоты обнаруживают одинаковые свойства? Находится ли это обстоя-
тельство в связи с тем, что молекулы всех кислот содержат одинаковые
составные части или что они по крайней мере характеризуются сходной
структурой? Ответить на этот вопрос нетрудно; для этого нужно толь-
ко рассмотреть формулы некоторых кислот. Для важнейших кислот эти
формулы будут:
Соляная кислота НС1 Фосфорная кислота НЯРО4
Серная кислота H2SO4 Угольная кислота Н2СО3
Азотная кислота HNO3
119
Следовательно, каждая кислота содержит водород. При этом число
атомов водорода в молекуле разных кислот неодинаково.В молекуле со-
ляной кислоты содержится один атом водорода, в молекуле серной ки-
слоты — два атома, а в молекуле фосфорной кислоты — даже три атома
водорода.
Затем каждая кислота содержит, кроме водорода, неметалл и, на-
конец, большинство кислот (но не соляная кислота) содержит большее
или меньшее число атомов кислорода. Однако всегда в кислотах обяза-
тельно содержится водород, и с его присутствием связан в кислотах
их кислый вкус.
Следует, однако, заметить, что не всякое соединение, содержащее
водород, непременно должно представлять собой кислоту. Весьма су-
щественным в этом отношении является структура соединения или спо-
соб, каким водород связан в молекуле того или иного соединения. Од-
нако об этом мы далее узнаем еще подробнее. Все же небольшое исто-
рическое замечание следует привести и в настоящем изложении. Еще
во время Лавуазье считалось, что кислород должен быть главнейшей
составной частью каждой кислоты и что его присутствие определяет типи-
ческие свойства кислот. На этом основании Лавуазье и дал открытому
еще до того кислороду его название «оксигений», т. е. «кислотообразо-
ватель». От этого слова и образовалось наше современное название «ки-
слород». Таким образом, кислород — это элемент, получивший свое
название по ошибке.
Если я перечеркну в формуле каждой кислоты знак водорода, то
в ней останется остаток, который для соляной кислоты будет состоять
из одного только хлора, но для большинства других кислот — из
нескольких атомов. Желая дать название этому остатку, мы будем
просто говорить кислотный остаток. Следовательно, SO4 будет кис-
лотным остатком серной кислоты, NO3—кислотным остатком азотной
кислоты и т. д. Обобщая сказанное, мы можем утверждать, что каждая
кислота состоит из водорода и из кислотного остатка, причем у каждой
кислоты этот остаток неодинаковый.
Однако мы не должны рассматривать обе составные части в отдель-
ности, но всегда должны их мыслить в совокупности. Но разве при этом
нельзя одновременно было бы предположить, что и кислотный остаток
подчас оказывает влияние на молекулу еще даже в большей степени,
чем типичные для кислот свойства водорода?
Если бы мы могли исходить только из того, что было сказано до сих
пор, то, пожалуй, можно было бы сделать и такое допущение. Однако мы
расширим наше рассмотрение еще в большей степени и при этом сумеем
найти ответ и на этот вопрос. Связь атомов в каждой кислоте имеет
гетерополярный характер. Особенно легко мы можем это себе предста-
вить на примере соляной кислоты, отличающейся весьма простым
строением. Атом хлора имеет, как и атом фтора, в своем внешнем слое
семь электронов. Поэтому у него не хватает только одного электрона для
полной достройки этого слоя и для достижения электронной конфигу-
120
рации следующего за ним благородного газа — аргона. Водород имеет
возможность поставить хлору этот недостающий электрон; при этом он
сам перейдет в катион, несущий один положительный заряд. Получив
дополнительно один электрон, хлор переходит в заряженный одним от-
рицательным зарядом анион, чем и объясняется возможность образования
связи между обоими ионами. Поэтому мы впредь будем более правильно-
говорить, что кислоты состоят из водородных ионов и из ионов кислотного
остатка. Эта формулировка и в других отношениях будет более пра-
вильно отражать положение вещей, ибо водородные атомы сами никогда
не проявляют кислой реакции, каковое свойство, однако, харак-
терно для водородных ионов. Если я прибавлю к кислоте воду, я раз-
бавлю ее, и при этом выступит то, с чем мы уже выше познакомились,
рассматривая процесс растворения кристалла. Диполи воды попадут
в силовое поле электрически заряженных ионов, окружат их слоем
направленных молекул воды и оттеснят их друг от друга. Водород-
ные ионы и ионы кислотного остатка окажутся в водном растворе от-
деленными друг от друга. Такой процесс в химии называют электро-
литической диссоциацией, причем слово «диссоциация» обозначает
разделение. Мы далее видим, что только такое вещество можно при-
знать кислотой, которое распадается с образованием водородных ионов,
ибо только последние и обусловливают кислотный характер соедине-
ния. Поэтому вода, имеющая формулу Н2О, никогда не может быть,
кислотой, хотя в ее молекуле и содержится водород. Однако ввиду
того что вода не диссоциирует в заметной степени на свои ионы, для
признания воды кислотой отсутствуют решающие предпосылки. Мы не
можем ожидать и от неразбавленной 100-процентной кислоты типичных
для кислот реакций. В ней, конечно, имеются водородные ионы, но
они не находятся в диссоциированной форме. 100-процентная серная
кислота, правда, очень опасна, однако, она обнаруживает не такую
сильную кислотную реакцию, как разбавленная кислота, и не может
вызывать перемену цвета лакмусовой бумажки из синего в красный.
Возникает еще один вопрос. Во-первых, диссоциация основана на на-
личии молекул воды. Если они не присутствуют в достаточном количестве,
то и диссоциация будет протекать неполно. Разбавленные кислоты силь-
нее распадаются на ионы, чем концентрированные кислоты. Однако это
не означает, что разбавленные кислоты реагируют интенсивнее, чем
концентрированные. Это можно утверждать лишь до известной степе-
ни. В концентрированных кислотах в одном литре содержится много
молекул, способных подвергнуться диссоциации, но зато в разбавлен-
ной кислоте, в том же самом литре, свободные водородные ионы содер-
жатся вследствие большого избытка воды в сильно разбавленной кон-
центрации.
Во-вторых, необходимо отметить, что диссоциация у различных ки-
слот протекает в неодинаковой степени. Такие кислоты, которые, подоб-
но соляной или серной кислоте, легко распадаются на свои ионы,
называются сильными кислотами. Наоборот, лимонная кислота
12Г
слабо диссоциирует на свои ионы даже в очень разбавленных растворах
и поэтому должна быть названа слабой кислотой. Между сильными и сла-
быми кислотами существуют самые разнообразные переходы. Мерой
распада кислот на ионы является степень диссоциации, которую
мы можем выразить в процентах. Степень диссоциации 60% озна-
чает, что на каждые сто молекул данного соединения — шестьдесят
распались на свои ионы.
При желании обратно переве-
сти ионы в атомы, например ионы
водорода в атомы водорода, необ-
ходимо подобрать такого участника
реакции, который бы вернул обрат-
но водороду отобранный у него в
свое время электрон. В этом случае
положительный и отрицательный
заряды выравняются, и мы бу-
дем иметь перед собой элементарный
водород, который и будет выделять-
ся в виде газа. Однако то, что
справедливо по отношению к водо-
роду, вовсе не должно обязательно
распространяться и на кислотный
остаток. Если он состоит только из
простого иона, как например в
соляной кислоте, то при отнятии
от него избыточного электрона мы
действительно получим элементар-
ный газообразный хлор. Однако
этого уже не случится со слож-
ными кислотными остатками. Груп-
па SO4 является устойчивой только
в качестве иона, снабженного заря-
дами. При удалении этих зарядов
нейтральная группа SO4 уже не
может существовать самостоятельно
и распадается. Точно так же обстоит
дело и с другими кислотными остат-
ками, как NO3 или СОз. Такие группы элементов, которые являются
устойчивыми только в соединениях, только в качестве ионов, назы-
вают радикалами. В связи с этим мы можем говорить о радикалах SO4
или РО4.
Итак, повторим еще раз все то, что мы могли сказать отно-
сительно состава кислот, и рассмотрим при этом, в частности, со-
держащиеся в них элементы.
Кислоты всегда содержат водород, присутствующий в них в виде
ионов; далее они содержат неметалл и обыкновенно, кроме того, еще
122
и кислород. Играет ли при этом содержащийся в них неметалл тоже
существенную роль?
Да, играет! Сделаем еще дальнейший шаг и посмотрим, что оста-
нется от кислоты, если мы отнимем от нее воду, причем отнимем эту
воду не из растворителя, а из самой молекулы кислоты. Разумеется,
это окажется возможным только для тех кислот, которые содержат кис-
лород. Для серной кислоты или для угольной кислоты это можно бу-
дет выразить следующим образом:
H2SO4 минус Н2О образует SO3; Н2СО3 минус Н2О образует СО2.
Ну, а для азотной кислоты или для фосфорной кислоты? Здесь нам не-
обходимо удвоить число молекул, т. е. взять 2HNO3 минус Н2О рав-
но N2O5; 2Н3РО4 минус ЗН2О равно Р2О5. Каждый раз эти операции
приводят нас к получению окислов, причем — окислов неметаллов.
С другой стороны, мы можем с тем же правом сказать, что при соеди-
нении с водой окислов металлов образуется кислота.
Попробуем осуществить это практически. Мы растворим немного
белого порошка — пятиокиси фосфора Р2О5 в воде. В том, что в этом
случае будет протекать химическая реакция, мы убедимся по нагреванию
воды. Окунув после этого в полученный раствор полоску синей лакму-
совой бумажки, мы убедимся, что эта бумажка быстро окрасится в крас-
ный цвет. Взяв каплю этого раствора на язык, мы почувствуем, что
она имеет кислый вкус. Таким образом, мы можем сделать заключение,
что при соединении окисла неметалла с водой образовалась кислота,
которую в большинстве случаев и будем называть по тому неметаллу,
который входит в ее состав, т. е. серной кислотой, фосфорной кисло-
той. Эти окислы неметаллов мы можем рассматривать как кислоты, ли-
шенные воды. Они будут поэтому называться ангидридами кислот, что
значит «кислоты без воды». Ангидридом серной кислоты будет БОз,
ангидридом азотной кислоты—N2O5.
Окислы неметаллов соединяются с водой с образованием кислот. По
аналогии с этим можно было бы ожидать, что окислы металлов будут со-
единяться с водой также с образованием характерных веществ. Не ока-
жутся ли такими веществами именно те, которые при нашем испытании
их лакмусовой бумажкой окрашивали последнюю в синий цвет, т. е. те,
которые в этом отношении проявили свойства, противоположные свой-
ствам кислот?
Это действительно будет так. Мы приходим ко второй группе
веществ, которые в некотором отношении представляют собой противо-
положность по отношению к кислотам и которые будем называть
основаниями, а их водные растворы — щелочами. В отличие от кислот
мы можем большинство оснований получить и в твердом виде, и по от-
ношению к ним проявится еще отчетливее то правило, которое уже
установлено для кислот. В соответствии с гетерополярной связью, харак-
терной для обеих этих групп соединений, в них всегда присутствуют'
ионы. Однако подвижными и активными эти ионы становятся лишь в вод-
ном растворе, т. е. тогда, когда последовала их диссоциация. По-
123
этому в твердом виде основания не будут обнаруживать своих типич-
ных свойств; они проявляются лишь при соединении их с водой. Как
уже мы это сделали для кислот, запишем и для важнейших основа-
ний химические формулы; тогда мы легко установим ту часть этих
соединений, которая оказывается для всех их общей и которая обу-
словливает их щелочную реакцию.
Едкий натр NaOH Нашатырный спирт NH4OH
Едкое кали КОН Едкая известь Са(ОН)2
В большинстве случаев среди составных частей этих соединений мы
встречаем металл. Исключением является только нашатырный спирт. Но
необходимой частью для всех подобных соединений являются кислород
и водород. Удивительно, ведь кислород мы встречали также и во многих
кислотах, а водород содержался даже в каждой кислоте. Что же, не при-
дется ли нам обусловить упомянутые основные свойства таких соедине-
ний присутствием в них металлов? Хотя в этом нам послужит препят-
ствием нашатырный спирт, который ведь не содержит металла. Значит,
этот вопрос не является столь простым.
И все же дело обстоит не так уж запутанно. Мы не должны выра-
жаться так, что в основаниях присутствуют кислород и водород: оба на-
званных элемента мы будем в этих случаях объединять в одну группу,
в один радикал. Один атом кислорода и один атом водорода соединяются
в заряженную одним отрицательным зарядом гидроксильную группу, при-
чем название этой группы мы можем производить из половинок обозна-
чений водорода (hydrogen ium) и кислорода (oxygenium). Эти гидро-
ксильные ионы или ОН-ионы обусловливают, следовательно, свойства
оснований, подобно тому, как водородные ионы обусловливали свойства
кислот. Связь их с остальной частью основания мы можем себе предста-
вить очень легко. Атом кислорода содержит во внешнем электронном слое
шесть электронов, нему не хватает до полной достройки слоя двух элек-
тронов. Один из этих недостающих электронов ему доставляет атом водо-
рода, а другой поступает к нему из внешнего слоя атома какого-либо ме-
талла, который при этом переходит в положительно заряженный катион.
Если у атома металла, как например у кальция, во внешнем слое
имеется два электрона, то он окажется способным присоединить к себе
две гидроксильные группы, почему формула образующегося соедине-
ния в этом случае будет иметь вид Са(ОН)2. Ввиду того что кислород и
водород сдерживаются в гидроксильной группе значительными силами,
основание в водном растворе диссоциирует на положительно за-
ряженный ион металла и на отрицательные ОН-ионы. Таким образом:
NaOH->Na++OH~ или
Са (ОН)2->Са++ + 2ОН~
Впредь мы будем называть основания гидроокисями содержащихся в них
металлов. NaOH получает, следовательно, название гидроокиси натрия,
а Са(ОН)2 — гидроокиси кальция,
124
Мы узнали, что каждое основание диссоциирует на ион металла
и гидроксильные ионы. Но как обстоит дело с соединением NH4OH? Ввиду
того что мы раньше уже называли NH4 группу — группой аммония,
основание NH4 ОН можно было бы назвать гидроокисью аммония. В этом
соединении мы имеем гидроксильную группу, но не имеем металла.
В этом случае наблюдается очень интересный факт. Рассмат-
ривая группу аммония NH4, мы должны сказать, что она представляет
собой соединение элементов азота и водорода, т. е. не может быть ме-
таллом. Она является радикалом, т. е. соединением, которое устойчиво
только в виде иона и которое ведет себя так, как будто бы оно представ-
ляло собой металл. Так, например, ион аммония NH+ во многих реак-
циях проявляет сходство с ионами щелочных металлов—натрия и осо-
бенно калия. Это проявляется, например, в том, что во многих соеди-
нениях мы можем заменять ионы калия ионами аммония,причем свой-
ства соответствующих соединений не испытывают при этом существенных
изменений. Были сделаны многочисленные попытки получить ион аммо-
ния в незаряженном виде, т. е. в виде NH4. Однако все эти попытки ока-
зались неудачными. Но один важный успех все же был при этом достиг-
нут. Удалось получить сплав ртути с аммонием, так называемую амаль-
гаму аммония. Ввиду того что только металлы могут сплавляться с
ртутью, этот результат мог рассматриваться как подтверждение метал-
лического характера аммония. С этой точки зрения мы должны считать,
что правило: «Основания диссоциируют на ионы металлов и на гидро-
ксильные ионы»—распространяется также и на гидроокись аммония.
Каким образом следует проводить различие между сильными и
слабыми основаниями?
В то время как гидроокись натрия и гидроокись калия почти
полностью распадаются в воде на ионы и поэтому представляют со-
бой сильные основания,гидроокись аммония диссоциирует лишь в малой
степени и является устойчивой только в разбавленных растворах. Гид-
роокись кальция растворяется в воде лишь в незначительной степени
и поэтому способна образовать только небольшое число ионов. Поэтому
гидроокись аммония и гидроокись кальция можно отнести к более
слабым основаниям.
Если мы отнимем от гидроокиси воду, то остается окись металла.
2NaOH минус Н2О образуют Na2O, т. е. окись натрия; Са(ОН)2 минус
Н2О дает окись кальция СаО. Хотя выражение «ангидрид основания»
малоупотребительно, но мы все же можем сказать, что при соединении
окисла металла с водой образуется гидроокись. В строительной технике
такая реакция приобрела большое значение. При добавлении воды к
негашеной извести, т. е. к окиси кальция, оба вещества — вода и окись
кальция — соединяются друг с другом с выделением тепла и при этом
образуется гашеная известь, а при дальнейшем прибавлении воды —
известковое молоко. С химической точки зрения эти вещества являют-
ся гидроокисью кальция:
СаО + Н2О Са (ОН)2.
125
При рассмотрении периодической системы мы встречаемся еще с од-
ной неожиданностью. В первой группе мы встречаем щелочные металлы
с ясно выраженным металлическим характером, окислы которых с водой
образуют очень сильные основания. Наиболее известным примером та-
ких оснований являются гидроокись натрия и гидроокись калия. Окислы
металлов второй группы, соединяясь с водой, также образуют основания,
однако эти основания уже не являются столь сильными и диссоциируют
в более слабой степени. В качестве примера приведем гидроокись каль-
ция. Поведение в этом смысле элементов третьей главной подгруппы
мы пока еще не рассматривали. Что же касается окислов элементов чет-
вертой главной подгруппы, которые частью уже являются неметаллами,
то они образуют с водой уже не основания, но очень слабые кислоты,
как например угольную кислоту или кремниевую кислоту H2SiO3.
По мере того как мы будем передвигаться дальше вправо, кислотный
характер повышается. В пятой главной подгруппе пятиокись фос-
фора образует умеренно сильную фосфорную кислоту, затем в шестой
группе мы встречаем уже очень сильную серную кислоту, и в седьмой
группе — очень сильные кислоты галогенов.
Обдумав все эти обстоятельства, мы придем к интересному выводу.
Соответственно понижению металлического характера элементов исче-
зает и основной характер гидроокисей. Поэтому мы будем иметь право
утверждать относительно элементов, находящихся в периодической
системе между теми, которые образуют основания, и теми, которые
образуют кислоты, что их окислы с водой не образуют ни оснований,
ни кислот, или что они будут образовывать как слабые основания, так и
слабые кислоты; это относится, например, и к элементам третьей глав-
ной подгруппы.
Такой случай мы имеем при гидроокиси алюминия А1(ОН)з. Мы
знаем людей, которые придерживаются определенной точки зрения,
какова бы она ни была, и они всегда будут отстаивать эту свою точку зре-
ния. Какой бы горячей дискуссии ни подвергалась их точка зрения, они
всегда останутся верными своим убеждениям и будут завтра говорить то
же самое, что говорили сегодня.Но существует и другой тип наших со-
временников. И они являются сторонниками какой-нибудь точки зрения,
но они очень часто могут ее изменить на противоположную. Если им
говорят «да»; то они из упрямства будут отвечать «нет». Они всегда будут
высказывать мнение противоположное тому, которое высказывает их
собеседник.
Так обстоит дело и с нашей гидроокисью алюминия. В то время как
рассмотренные выше кислоты всегда проявляют кислотную реакцию,
а основания всегда остаются основаниями, того же самого никак нельзя
сказать относительно гидроокиси алюминия. Если я обработаю ее осно-
ванием, например едким натром, то она вдруг проявит себя в качестве
кислоты, вследствие чего для этого случая следует предпочесть для нее
следующую формулу: Н3А1О3. Но мы можем рассматривать молекулу
гидроокиси алюминия как соединение одного атома металла с тремя
126
гидроксильными группами: Al + 3(ОН) = Al (ОН)з. В этом случае
ее можно считать основанием. Но, с другой стороны, мы ведь знаем,
что кислота состоит из водорода и кислотного остатка, и можем по-
этому то же самое соединение рассматривать и как кислоту, построен-
ную из трех атомов водорода и из кислотного остатка А1О3. Тогда мы
можем написать ЗН + АЮ3= Н3А1О3. Название гидроокись алюминия
в этом случае будет не
вполне оправданным. С
равным правом мы смо-
жем назвать это соеди-
Металлический
окисел
Амфотерный
окисел
Неметалличес-
кий окисел
нение и алюминиевой
кислотой. Подобного
рода соединения, кото-
рые проявляются то в
качестве кислот, то в
качестве оснований, на-
зывают амфотерными
(«дво й с т в е н н ы м и »)
гидроокисями. Они, как
уже было сказано, обра-
зуются такими элемен-
тами, которые являются
переходными м е жду
металлами и неметалла-
В О Д А
р Основание
Кислота
Рис. 58. Схема образования гидратов окислов.
ми, которые, следовательно, расположены посередине периодической
системы. К ним относятся алюминий, цинк, мышьяк, сурьма.
Существует еще одно более непосредственное обоснование для ам-
фотерного поведения некоторых гидроокисей.
Для этого мы должны снова обратиться к строению атома. Мы в
этом случае снова будем иметь пример того, что целое множество явле-
ний имеет своей причиной соотношения в области строения атома и мо-
жет найти объяснение путем изучения закономерностей, вытекающих
из этого строения.
Ведь мы уже установили, что каждый период периодической си-
стемы характеризуется заполнением нового электронного слоя. В ато-
мах третьего периода у натрия имеется в наиболее удаленном от ядра
М-слое один электрон. При каждом следующем элементе к ядру до-
бавляется один положительно заряженный протон, а в соответствующем
электронном слое появляется дополнительно один новый электрон.
Исходящее от положительно заряженного ядра силовое поле будет
поэтому все время повышаться, и это поведет к тому, что электрон-
ные слои будут все сильнее притягиваться ядром. Поэтому радиус
атома, или, как обычно говорят, атомный объем атома, станет непрерывно
уменьшаться. Так это будет происходить вплоть до следующего щелоч-
ного металла. Но здесь начинается построение нового слоя, благодаря
чему атомный объем скачкообразно увеличивается. Такое соотношение
127
между атомными объемами и положением элемента в периодической си-
стеме было установлено еще Лотаром Мейером, и построенная
им диаграмма подтверждает правильность сказанного выше. Еще яснее
становится эта взаимозависимость при рассмотрении ионных радиусов.
Все сказанное является одной из предпосылок, необходимых
для понимания амфотерных свойств некоторых гидроокисей. Другая
предпосылка заключается в том, что мы должны внести ясность в струк-
туру кислот и оснований. Структурная формула азотной кислоты с уче-
Рис. 59. Атомные объемы элементов 2-го периода
(указаны электроны только внешних слоев).
том валентностей всех элементов, входящих в ее состав, будет следую-
щая:
^N-0-H,
О7
а для серной кислоты мы ее должны себе представить следующим обра-
зом:
°^ч/он
0/7 хон
В каждой кислоте, содержащей кислород, реакционноспособный
водородный ион связан с соответствующим центральным атомом через
кислородный ион, через «кислородный мостик». Поэтому структура ки-
слот вообще не отличается от структуры гидроокисей. Гидроокись нат-
рия мы записываем Na—О—Н, а гидроокись кальция записываем
/0-Н
Са '
ХО-Н
После сказанного можно утверждать, что при диссоциации с образо-
ванием отрицательно заряженной гидроксильной группы мы полу-
чаем основание и, наоборот, при диссоциации с отщеплением только
положительно заряженного водородного иона и с оставлением кислород*
128
ного иона при кислотном остатке мы можем говорить о кислоте. Ввиду
того что структура в обоих случаях не обнаруживает никакой разницы,
решающую роль должны при этом играть энергетические соотношения.
Как мы уже знаем, две противоположно заряженные частицы прояв-
ляют друг к другу действие силы притяжения. Согласно закону Кулона эта
сила находится в прямой зависимости от числа единиц заряда. Для
выражения этого закона уравнением обозначим отрицательный заряд
через а положительный заряд — е+, причем е обозначает произволь-
ное число единиц элементарных зарядов. Однако, с другой стороны, эта
сила, проявляющаяся между двумя заряженными частицами, обратно
Рис. 60. Атомные объемы элементов.
пропорциональна квадрату расстояния обоих зарядов друг от друга и
поэтому она сильно уменьшается по мере увеличения этого расстояния.
Это расстояние обозначим через R. Кроме того, Кулон установил, что
между носителями зарядов находится среда, которая тоже оказывает
влияние на величину этой силы притяжения. При равных числовых
значениях для е и R сила может оказаться неодинаковой в зависи-
мости от того, будет ли между зарядами находиться пустое простран-
ство, воздух или вода. Поэтому оказывается необходимым учитывать в
выражении этой силы еще и константу 1/Df зависящую от вещества,
из которого состоит эта среда, и которая может иметь неодинаковую ве-
личину. С учетом всех этих обстоятельств Кулон сумел установить на-
званный впоследствии по его имени закон:
D R2
9 3. Шпаусус
129
который определяет меру силы, действующей между двумя противо-
положно заряженными телами, а одновременно и меру работы Л, требую-
щейся для отрыва друг от друга этих тел. Ввиду того что при ионной
связи величина /? равна расстоянию между центрами тяжести обоих ио-
нов /*2,где гх и г2 выражают радиусы ионов,это уравнение принимает
следующую форму:
D (г^)2
Работа, требующаяся для разделения двух ионов, будет, таким об-
разом, увеличиваться при повышении зарядов и уменьшаться при воз-
растании ионных радиусов. Ввиду того что в гидроксильной группе
как число зарядов, так и величина R не изменяются, то между этими дву-
мя ионами будет всегда действовать одна и та же сила. При больших
ионах щелочных металлов R имеет большую величину, и сила, действую-
щая между ионом металла и группой ОН, будет небольшой и во всяком
случае она будет меньше, чем сила, действующая между водородным и
кислородным ионами внутри гидроксильной группы. Поэтому разрыв на-
ступит между ионом металла и ОН-группой,и соединение будет диссоци-
ировать по схеме:
NaOH^-Na+4-OH-
При несколько меньших радиусах ионов щелочноземельных ме-
таллов сила, действующая между ионом металла и гидроксильный груп-
пой, будет уже иметь более значительную величину, однако все же
перевес будет иметь сила, действующая между кислородом и водородом.
Поэтому диссоциация, хотя и более слабая, будет протекать в соответ-
ствии с уравнением:
Са (ОН)2^Са+++2ОН~.
Чем дальше мы передвигаемся в периодической системе вправо, тем
меньшим становится значение R и тем большим вместе с тем будет зна-
чение Л. Здесь уже все в большей и большей степени будет перевешивать
сила, действующая между ионом неметалла и ионом кислорода, так что
водород при диссоциации будет отделяться один, и мы будем иметь дело
с кислотой, как например с серной:
SO2 (ОН)2 -> SC>4_+2H+.
При этом формулу серной кислоты мы написали в несколько изме-
ненном виде, чтобы подчеркнуть структурную аналогию между основа-
ниями и кислотами.
У аморфных гидроокисей сила, действующая между ионом металла
и гидроксильной группой, будет, следовательно, иметь приблизительно
одинаковую величину с силой, действующей между кислородным и во-
дородным ионами. Благодаря этому такое соединение может функциони-
ровать то в качестве кислоты, то в качестве основания. Однако чем обу-
словлен такой изменяющийся характер диссоциации?
13Q
Поясним это на одном примере. Два приятеля, назовем их О и Н,
находятся в гостях у общего знакомого А1. Выглянув в окно, они вдруг
оба увидели внизу на улице гражданина Н+. Зная его как хорошего
игрока в теннис и будучи сами восторженными поклонниками этой
игры, они почувствовали, что от общения с гражданином Н+ они получат
больше, чем от общения с несколько скучноватым гражданином А1, у
которого они находятся в гостях. Они спешно простились с хозяином
и быстро присоединились к Н+ в его прогулке.
Однако могло наступить и другое. Снова Н и О сидят вместе у А1
в гостях. Но на этот раз они увидели через окно супружескую чету
ОН~, которая как раз в это время
была занята игрой в футбол. В то
время как Н был энтузиастом фут-
бола, О, наоборот, вообще никогда
не интересовался этим видом спор-
та. В этом случае решение вопро-
са будет ясным. Гость О остается
у А1 и будет с ним продолжать
беседу о студенческих соревнова-
ниях, а другой гость поспешит
вместе с супругами ОН~ на бли-
жайший стадион.
Таким образом, в этом при-
Рис. 61. Графическое изображение закона
Кулона.
мере причина неодинаковых раз-
лук будет обусловлена внешними влияниями, и так же дело будет об-
стоять и у амфотерных гидроокисей.
При этом будет наблюдаться тенденция к образованию недиссоци-
ированных соединений с ионами, поступившими извне, в данном случае —
к образованию молекул воды. Обе эти возможности можно выразить сле-
дующими уравнениями:
А1 (ОН)3 + ЗН+ -> А13++ЗН2О.
AI (ОН)3+ЗОН- -> А1ОГ+ЗН2О.
Сделав эти выводы, мы невольно затронули новый вопрос, а именно—
о нейтрализации. При обсуждении этого вопроса мы познакомимся с но-
вой группой веществ — с солями. На одном примере мы попробуем осве-
тить все существенное по этому вопросу.
Нальем в чашку водного раствора гидроокиси натрия и добавим не-
сколько капель настоя лакмуса; раствор тотчас же окрасится в темно-
синий цвет.
После этого будем при постоянном помешивании приливать к этому
раствору по каплям соляную кислоту. Сначала не будет заметно ничего
особенного. Разве только при помощи термометра мы сумеем отметить
некоторое повышение температуры. Однако скоро мы увидим, что в том
месте, куда будет падать каждая новая капля прибавленной кислоты,
синий цвет будет переходить в красный. После этого нам уже придется
9*
131
быть внимательными и приливать кислоту медленно, каплю за каплей,
и после каждой капли основательно перемешивать раствор. Стоп! На-
конец, дело кончено. Первоначальный синий цвет уже готов перейти
в красный цвет, но процесс остановился на некотором среднем фиоле-
товом цвете. Теперь смочим наш палец жидкостью и попробуем ее на
вкус.
На этот раз мы уже сможем спокойно решиться на это, ибо теперь
это будет совсем неопасно. Мы только сумеем при этом почувствовать,
что раствор приобрел сильно соленый вкус.
Да это и не удивительно, ибо мы теперь имеем дело не с чем иным,
как с поваренной солью. Из производящего сильные ожоги едкого натра
и из не менее ядовитой соляной кислоты образовалось безвредное соеди-
нение, которое мы ежедневно добавляем в нашу пищу.
Проведенный нами выше процесс превращения основания при об-
работке его кислотой в соль мы будем называть нейтрализацией, а по-
лучаемые при этом процессе твердые вещества — солями. Эти реакции
могут быть выражены следующими уравнениями:
NaOH+HCl -> NaCl + H2O,
или, лучше, на языке ионных формул:
Na++OH-+H++Cl- -> Na+4-Cl-+H2O.
Здесь мы тоже можем заметить тенденцию к образованию недиссо-
циированных соединений при взаимодействии ионов. В нашем примере
таким почти недиссоциированным соединением является вода. И так
как каждая кислота имеет свободные водородные ионы, а каждое ос-
нование — свободные гидроксильные ионы, то как те, так и другие
всегда будут соединяться с образованием недиссоциированных моле-
кул воды. После этого останутся только ионы металлов и ионы кислот-
ных остатков, которые после удаления воды соединятся с образованием
твердой соли. Мы подтвердим это на следующем примере, в котором сер-
ная кислота будет взаимодействовать с гидроокисью калия:
2К+4-2ОН-+2Н++ 5О;~ -> 2K++SOr+2H3O,
или при другом методе написания:
2KOH + H2SO4 -> K2SO4+2H2O.
Мы можем также сказать, что судя по формулам, в процессе
нейтрализации металл и водород меняются местами. При этом гидроксиль-
ные ионы вступают во взаимодействие с водородными ионами с образо-
ванием почти недиссоциированной воды, а ионы металла, взаимодей-
ствуя с ионами кислотного остатка, образуют соль. Ввиду того что
при всякой нейтрализации один из процессов, а именно — взаимодей-
ствие водородных ионов с гидроксильными ионами, наступает всегда
неизбежно, мы вправе выражать процесс нейтрализации еще более
простым уравнением:
132
водородные ионы 4- гидроксильные ионы —> вода 4- теплота, или
Н+ 4- ОН“ -> Н2О + теплота.
Ввиду того что при этом процессе как водородные ионы, так и гидро-
ксильные ионы утрачивают свои кислотные и щелочные свойства бла-
годаря образованию из них недиссоциированной воды, образующаяся
соль уже не может проявлять ни основных, ни кислотных свойств.
Как при первом нашем опыте, так и в уравнении только что опи-
санной реакции мы видим проявление положительного теплового эффек-
та-, мы имеем, таким образом, дело с экзотермической реакцией. Тепло-
та выделяется при соединении друг с другом водородных и гидроксиль-
ных ионов с образованием недиссоциированной воды. В связи с тем, что
этот результат является существенным и всегда повторяющимся процес-
сом при каждой нейтрализации, каждая нейтрализация и протекает
всегда в виде экзотермической реакции. Своеобразным и все же вполне
естественным является и то обстоятельство, что при нейтрализации одной
грамм-молекулы (1 моля) гидроокиси натрия действием любой кислоты
выделяется всегда одно и то же количество теплоты (1 грамм-молекула
равна числу граммов какого-нибудь вещества, выраженному его молеку-
лярным весом). Совершенно так же обстоит дело и при нейтрализации
одного моля гидроокиси калия или гидроокиси аммония. Ведь при этом
1 г водородных ионов взаимодействует с 17 г гидроксильных ионов с
образованием 18 г недиссоциированной воды; поэтому всегда количество
выделившейся теплоты должно быть одинаковым.
Теперь еще несколько слов относительно нашей третьей группы ве-
ществ — солей. Мы теперь уже можем сказать, что солями являются
соединения, содержащие в качестве катиона металл, а в качестве аниона—
кислотный остаток. В этих случаях мы в особенно отчетливой форме ви-
дим проявление гетерополярной связи, которая и получила по этой
группе веществ название «солевой связи». Соли, растворимые в воде,
полностью распадаются на ионы, так что в этом случае мы не можем
говорить о «слабых» или «сильных» солях.
Соли мы можем получать различными способами. Во-первых, как
уже было показано, путем нейтрализации основания кислотой или кис-
лоты основанием.
Вообще:
Кислота 4-основание-> соль 4- вода.
Вторая возможность получения солей заключается в том, что мы об-
рабатываем окись металла кислотой, например окись кальция — соляной
кислотой. Для такой реакции мы напишем:
СаО4-2НС1 -> СаС124-Н2О.
При этом мы вспомним о нашем известном правиле: металл и водород в
этом случае обмениваются местами. В конце концов этот способ полу-
чения соли также сводится к нейтрализации, ибо одновременно с доба-
133
влением соляной кислоты добавляется и вода, в которой окись кальция
растворяется и образует в небольшом количестве ионы металла и ионы
гидроокиси:
СаО+2НС1 + Н2О -> Са (ОН)2+2НС1 СаС12+2Н2О
СаО + 2Н+ + 2С1~+Н2О^Са2++ 2ОН~-|-2Н+ +2С1“^Са2+ +
+ 2С1- + 2ЬЩ
По мере того как гидроокись кальция взаимодействует с кислотой, из
окиси кальция и воды образуется новая гидроокись кальция, так что
в результате этого реакция доходит до конца в смысле направления, ука-
занного стрелкой.
Наконец, мы можем ввести металлы и непосредственно во взаимодей-
ствие с кислотами. И в этом случае опять-таки металл и водород обмени-
ваются местами, причем водородный ион передает металлу свой поло-
жительный заряд. Таким путем металл превращается в катион и в состав-
ную часть соли, между тем как нейтральные водородные атомы попарно
вступают друг с другом в гомеополярную связь и выделяются в виде сво-
бодного водорода. Возьмем в качестве примера реакцию цинка с соляной
кислотой:
Zn+2HCl=ZnCl2+2H
1-Н2
или в ионной форме:
Zn 1 2H++2Cl-^Zn2+ + 2Cl-4-H2.
Словами это можно выразить: металл и кислота образуют водород и соль.
И, наконец, приведем еще одну последнюю возможность, которая,
однако, представляется не всегда.
Соли могут быть получены при непосредственном взаимодействии
металлов с галогенами. При этом галоген путем присоединения к нему
электрона превращается в отрицательно заряженный кислотный оста-
ток. Не случайным является самое название «галоген», происходящее
из греческого языка и имеющее в переводе на русский язык смысл «об-
разователь соли». При действии хлора на металлический натрий обра-
зуется поваренная соль:
Na + Cl -> NaCl или
Na+Cl -> Na+4-Cl-.
Но как мы образуем названия разных солей? До сих пор мы знаем
только по имени одну поваренную соль. При этом необходимо заметить,
что обозначение «поваренная соль» представляет собой лишь ее триви-
альное, бытовое название. На научном безупречном языке эту соль сле-
дует называть хлоридом натрия. Каждый кислотный остаток имеет опре-
деленное обозначение: С1~—остаток соляной кислоты — называется хло-
ридом, SO42-— сульфатом, NO“"3— нитратом, СО|_— карбонатом. После
перечисленных названий остатков в родительном падеже ставится на-
134
звание металла, образующего катион. Таким образом, ZnCl2 будет иметь
название хлорид цинка, CaSO4— сульфат кальция и KNO3 — нитрат
калия. Разумеется, многие соли получили уже издавна принятые обозна-
чения, под которыми они известны в повседневной жизни. Домашняя хо-
зяйка солит наши кушанья поваренной солью. KNO3 чаще всего назы-
вают калиевой селитрой, a NaNO3 называют натриевой, или чилийской,
селитрой. Те же обозначения могут применяться в повседневной жизни
и впредь, но в научной номенклатуре предпочтительнее пользоваться од-
нозначными названиями.
Железо может быть как двухвалентным, так и трехвалентным и
образовывать с одновалентным кислотным остатком два разных сорта солей,
а именно: FeCl2 и FeCl3. Это находит свое отражение также и в названиях
этих солей.
FeCl2 называют хлоридом железа (II) или хлористым железом, а
FeCl3 — хлоридом железа (III) или хлорным железом. Таким обра-
зом, валентность катионов, имеющих переменную валентность, обозна-
чают римской цифрой, поставленной в скобках после названия катио-
на соли. Иногда применяют еще и прежние обозначения: феррохлорид
для соли двухвалентного железа FeCl2 и феррихлорид для соли трех-
валентного железа FeCl3. Прежде более высоковалентную форму
металла обозначали прибавлением буквы «и» к латинскому наимено-
ванию металла, а менее высоковалентную форму — прибавле-
нием буквы «о». Однако приведенные выше обозначения являются
более однозначными, и они внедряются в химическую литературу все
в большей и большей степени.
Существуют нейтральные и кислые соли. При этом кислые соли
могут быть получены только для многоосновных кислот, как напри-
мер серной или фосфорной кислот. Эти кислоты не всегда диссоциируют
полностью на водород и кислотный остаток, но этот процесс диссоциа-
ции может протекать ступенчато.
Для угольной кислоты такой процесс может быть выражен следую-
щей схемой:
Н2СО3 -> Н+ + НСО7 1-я ступень.
НСОГ->Н++СО7 2-я ступень.
При этом, разумеется, могут быть мыслимы и две возможности со*
леобразования. Если кислота диссоциирует только до первой ступени,
то произойдет нейтрализация по схеме:
Н+ + НСО? + Na++ОН- Na+ + НСО?+ Н2О.
Эта соль NaHCO3 имеет возможность отщепить путем диссоциации
водородный ион, т. е. имеет кислый характер, и может быть названа
также и кислой солью в противоположность нейтральной соли Na2CO3.
Обозначение определяется числом наличных ионов металла. NaHCO
называется первичным карбонатом натрия, Na2CO3 — вторичным кар-
бонатом натрия или просто карбонатом натрия. NaHCOs имеет также
135
и тривиальное, бытовое название: эту соль называют двойным карбона-
том натрия, бикарбонатом натрия или двууглекислой содой.
Наконец, три разные соли могут быть образованы трехосновной фос-
форной кислотой, которая диссоциирует трехступенчато и дает кислот-
ный остаток, который называется фосфатным остатком.Она может обра-
зовать, во-первых, первичный фосфат натрия NaH2PO4, затем вторич-
ный фосфат Na2HPO4 и, наконец, третичный фосфат Na3PO4.
ЛУЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
У нас найдется восхитительный повод проследить на одном при-
мере взаимозависимость между изучением основ чистой науки и их прак-
тическим применением и убедиться, как достижения науки дают тол-
чок и основания для новых исследований и для применения их резуль-
татов.
Возьмем для примера проблему прохождения электрического
тока через газы.
В середине XVIII века начинает все ярче развиваться еще весьма
молодая наука об электричестве. Электричество можно возбудить тре-
нием. В области электричества естествоиспытатели производят самые
разнообразные опыты над электрически заряженными телами. Одни
стараются на ярмарках и в салонах удивить этими опытами публику
и вызвать веселые собеседования, другие пытаются проникнуть с этими
опытами дальше в царство таинственного электричества.
Газы обычно считаются непроводниками. Это действительно в из-
вестных границах и оправдывается. Однако Кулон в 1785 году уста-
новил, что заряд изолированного проводника постепенно ослабевает.
Это позволяет сделать заключение о совсем ничтожной электропровод-
ности окружающего воздуха.Таким путем было положено только начало
изучению электричества, и интерес физиков был направлен на решение
этих вопросов.
Следующие успехи не заставили себя долго ждать. Изучены были
самые разнообразные виды разрядов, и были получены сведения, поз-
волившие истолковать эти явления природы или сделать из них сущест-
венные практические применения (например, получение электрической
дуги). От изучения электрических разрядов в газах, в частности в
воздухе, исследования были переброшены к разрядам в трубках с разре-
женными газами. В этой области Плюккеру удалось в 1859 году
установить, что в эвакуированной трубке от катода перпендикулярно
его поверхности прямолинейно распространяются лучи,так называемые
катодные лучи, которые по данным дальнейших исследований оказались
отрицательно заряженными частицами. Таким образом, катодные лу-
чи выявили характер корпускулярного излучения, каскада электронов,
что в свою очередь позволило признать материальную природу элек-
тричества. Остается только добавить, что дальнейшие работы создали
основу для наших современных фотоэлектрических элементов и электрон-
136
ных ламп, на действии которых зиждется вся современная радиотех-
ника.
Но нас в данный момент интересует нечто другое. Везде, где катод-
ные лучи ударяются в стекло заключающих эти лучи трубок,обнаружи-
вается зеленоватая флуоресценция, зеленоватое свечение.
В 1895 году Вильгельм Конрад Рёнтген ближе ис-
следовал эти явления свечения и при этом сделал открытие, что от этих
светящихся мест трубки исходит новое излучение или, точнее,что оно
возникает повсюду, где быстрые катодные лучи наталкиваются на твер-
дую стенку. Эти Х-лучи обнаруживают замечательное отличие от катод-
ных лучей. Во-первых, они отличаются значительной проницающей спо-
Катодные лучи
Рис. 62. Схема образования лучей Рентгена.
собностью. Через легкие тела они проходят насквозь; что же касается
плотных тел, как например кость или свинец, то таковые в некоторой
степени поглощают эти лучи. Х-лучи, кроме того, вызывают флуорес-
ценцию светящихся экранов и обусловливают электропроводность
воздуха в результате его «ионизации». Кроме того, они затемняют
фотографическую пластинку.
Сведения, касающиеся рентгеновских лучей, как они были на-
званы в честь открывшего их Рёнтгена, расширялись, а техника их по-
лучения претерпела в позднейшее время все большее и большее усовер-
шенствование; ныне рентгеновские аппараты являются незаменимым
вспомогательным средством врача и исследователя материалов.
Интересно проследить взаимозависимость между исследованиями
рентгеновских лучей и их практическим применением в кристаллогра-
фии. С одной стороны, узкосетчатая решетка кристаллов дала возмож-
ность производить анализ рентгеновских лучей и установить, что они
в отличие от корпускулярных катодных лучей представляют собой
электромагнитные колебания, такие же, как световые лучи, но только
со значительно меньшей длиной волн. С другой стороны, рентгеновские
лучи были, начиная с 1912 года, использованы Лауэ, Фридри-
137
хом и Книпингом для изучения структуры кристаллов и спо-
собствовали открытию в кристаллографии многих весьма важных но-
вых фактов.
Первоначально было распространено мнение, что причиной воз-
никновения рентгеновских лучей является флуоресценция на стеклян-
ной стенке, ибо оба названных явления всегда наблюдались совместно.
Однако ввиду того что были известны и другие вещества, которые при
облучении также обнаруживали явление флуоресценции, французский
исследователь Беккерель поставил перед собой в 1896 году вопрос: не
излучаются ли и от этих веществ Х-лучи. В этом случае эти лучи долж-
ны были бы обнаруживать способность
проникать через черную бумагу и произ-
водить при этом действие на фотографи-
ческую пластинку. Свое предположение
он проверил на различных веществах,
но получил при этом отрицательные
результаты. Лишь при испытании солей
элемента урана результаты оказались
положительными. Однажды Беккерель
завернул в непрозрачную бумагу неосве-
щенную до того соль урана и поместил ее
в шкаф. Эту соль он случайно положил
на завернутые в черную непрозрачную
бумагу фотографические пластинки.
Воспользовавшись позднее этими плас-
тинками для фотографической съемки,
он к своему крайнему изумлению при
проявлении части этих пластинок обна-
ружил, что на них образовалось темное
пятно. Как это было возможно? Может
Рис. 63. Рентгеновский снимок
кисти руки.
быть, он совершил при проявлении ка-
кое-либо упущение, или пластинки испортились от долгого хранения?
Или, может быть, здесь сыграли роль какие-либо другие причины? Он
стал припоминать. Ведь только за несколько дней до того он поставил
урановые соли на эти пластинки без их предварительного освещения
лучами солнца. В соответствии с этим урановые соли даже без их пред-
варительного освещения, по-видимому, испускают лучи, способные
проникать через непрозрачную бумагу и при этом они должны оказывать
действие на светочувствительный слой пластинки. Дальнейшие опыты
подтвердили правильность этих предположений. Однако они привели
его еще и к дальнейшим результатам. Все соли урана испускают само-
произвольно и непрерывно такие лучи, которые действуют на фотогра-
фическую пластинку и проникают через тонкие слои разных материа-
лов. Эти лучи также обладают способностью делать воздух электропро-
водным, ионизируя его, и на них не оказывают никакого влияния
ни физические, ни химические факторы. В то время как в прочих реак-
138
циях повышение температуры способствует значительному повышению
скорости реакции, в данном случае этого действия температуры не на-
блюдается, равно как на процесс излучения таких лучей не наблюдается
влияния ни внешних электрических, ни внешних магнитных сил. Эти
самостоятельно возникающие лучи были названы радиоактивными
лучами.
С понятием радиоактивно-
сти была связана новая отрасль
науки, изучение которой еще
далеко не завершено и поныне
и которая оказывает громадное
влияние на развитие всего есте-
ствознания. Эта отрасль нашла
широкое применение в медицине
и технике.
Однако исследования урано-
вых соединений принесли и еще
одну поразительную неожидан-
ность. Мария Кюри, рабо-
тавшая в институте Беккереля,
установил а, что урановая смоляная
руда, один из урановых минера-
лов, добытый в Иоахимстале, об-
наруживает активное излучение,
значительно более интенсивное,
чем то, которого можно было бы
ожидать на основании содержа-
ния в этой руде урана. Это не
могло быть случайностью. Раз
смоляная руда обнаруживает бо-
лее сильное излучение, чем этого
можно было ожидать на основа-
нии содержания в ней урана,
то, стало быть, в ней должно
Рис. 64. Мария Склодовская-Кюри
(1867-1934).
содержаться еще и другое излучающее лучи вещество, которое, однако,
содержится в ней в столь незначительном количестве, что оно не обна-
руживалось при проводимых до того времени анализах. Совместно со
своим супругом Пьером Кюри Мария Кюри предпринимает
поиски этого нового вещества. Она производит чрезвычайно трудное
исследование, потребовавшее затраты значительного времени и
напряженной работы, в своей примитивной лаборатории, организован-
ной в небольшом продуваемом ветром деревянном сарае. Ею были
получены и переработаны в количестве многих центнеров отходы,
остающиеся при производстве препаратов урана. Наконец, после пере-
работки более тонны руды из нее могла быть извлечена не более чем
одна десятая часть одного грамма бромистого соединения нового
139
испускающего лучи элемента, который супруги Кюри назвали ра-
дием — «лучистым элементом». В 1910 году Мария Кюри сумела вы-
делить этот элемент и в чистом виде. Он оказался металлом,
который по своим свойствам следовало причислить к группе щелочно-
земельных металлов.
Рис. 65. Мария и Пьер Кюри с дочерью Ирен.
Таким путем был открыт новый элемент, который испускал лучи,
значительно более богатые энергией, чем рентгеновские лучи. Его лучи
проникали даже через металлы, например через железо, а также через
слои бетона умеренной толщины и вызывали при их действии на кожу
в более или менее значительной дозировке ее разрушение. Лишь свинец
мог служить надежной защитой от их действия.
140
С открытием веществ, испускающих лучи, на первый взгляд
казался опровергнутым основной закон природы — закон сохранения
энергии.
Энергия ведь не может создаваться вновь из ничего и может только
превращаться из одной своей формы в другую. При падении камня на
землю энергия движения камня превращается в эквивалентное количе-
ство теплоты; при этом энергия движения не уничтожается и тепловая
энергия не возникает вновь. А в данном случае непрерывно выделя-
ются очень большие количества энергии, происхождение которой не мо-
жет быть объяснено. Лишь позднее было найдено решение этой загадки.
Энергия излучения оказалась сопряженной с массой вещества. Между
весом (массой) и энергией существует взаимосвязь. Однако ввиду того
что очень значительное количество энергии сопряжено с очень малым
количеством массы, то вполне понятно, что убыль в весе вещества, испу-
скающего лучистую энергию, не может быть установлена даже при по-
мощи самых чувствительных весов1.
Однако радий не остается радием. Тот факт, что другие присут-
ствующие около радия тела тоже приобретают способность испускать
лучи, нашел свое объяснение в том, что металл радий превращается в
эманацию радия, представляющую собой уже другой элемент типа бла-
городного газа, который ныне получил название радона и который так-
же с испусканием лучей распадается на другие элементы до тех пор, по-
ка, наконец, этот ряд распада не закончится свинцом.
Исследование радиоактивных веществ в настоящее время не являет-
ся больше затруднительным делом. В этом отношении уже удалось на-
копить большой опыт. Оказалось, что лучи этих веществ имеют неодинако-
вую проницающую способность, а также что они в неодинаковой степе-
ни способны отклоняться при действии электрических или магнитных
сил и подвергаться действию со стороны этих сил в различной степени.
Поэтому мы имеем дело не с одинаковыми излучениями, но с такими,
природа которых имеет сложный характер. Всего удается различать
четыре сорта таких лучей: е-лучи, £-лучи, 7-лучи и й-лучи.
Природу р-лучей мы уже знаем. Они образованы из отрицательно
заряженных корпускул с очень небольшой массой и отличаются способ-
ностью отклоняться в сторону положительного полюса. Они, следова-
тельно, состоят, аналогично катодным лучам, из электронов, которые
движутся со значительной скоростью и проявляют такие же реакции,
как и катодные лучи.
Равным образом и природа у-лучей уже нам знакома. Их можно
поставить в параллель с рентгеновскими лучами: они тоже представ-
1 Соотношение между массой и энергией, выражающееся уравнением Е = Мс2,
является фундаментальным законом пропорциональности между массой и энергией, связан-
ной с веществом Установление этого закона указало на возможность перехода энергии,
связанной с веществом, в энергию, связанную с излучением, и легло в основу всей
современной ядерной физики Масса — «мера косности материи» — оказывается Вхместе с
тем мерой энергии, мерой наличного или реально возможного движения. (Ред.)
141
Рис. 66. Лучи, образующиеся при радиоактив-
ном распаде.
ляют собой электромагнитные колебания с очень малыми длинами
волн и частично с высокой проницающей способностью. Ввиду того
что эти лучи сами не несут никакого заряда, они и не отклоняются ни
к положительному, ни к отрицательному полюсу магнита.
И, наконец, а-лучи проявляют себя в качестве положительно за-
ряженных частиц, которые, несмотря на их сравнительно незначитель-
ную скорость, гораздо меньшую, чем скорость (3-лучей, отклоняются
меньше сравнительно с 3-лучами. Но это может быть только в том слу-
чае, если их масса будет гораз-
до больше, чем масса 3-лучей.
Так это и есть на самом деле:
а-лучи состоят из частиц, заря-
женных двумя положительны-
ми зарядами, содержащими два
протона и два нейтрона, так
что атомный вес такой частицы
равен 4. Два протона и два
нейтрона содержатся также и
в ядре атома гелия. Таким об-
разом, а-лучи представляют
собой голые скелеты гелия —
ионы гелия.
В то время как перечис-
ленные нами выше лучи проис-
ходят из атомных ядер радио-
активного элемента, 6-лучи
возникают в атомной оболочке.
Если, несмотря на испускание
положительно заряженных
ионов гелия, остающееся ве-
щество проявляет себя в каче-
стве незаряженного тела, то
одновременно должны поки-
дать его оболочку также и два электрона. Однако этот результат про-
текает без выделения значительной энергии; поэтому 8-лучи в противо-
положность более богатым энергией (i-лучам отличаются способностью
удаляться лишь на короткое расстояние и способны очень легко от-
клоняться от направления своего движения.
Следовательно, радий распадается с выделением а-лучей, и при этом
он превращается в газообразную эманацию радия — благородный газ
радон. Это излучение связано, таким образом, с превращением радия
в другой элемент.
Весьма существенным для процесса распада является вопрос: в те-
чение какого промежутка времени протекает этот процесс превращения
радия или других радиоактивных веществ? Для этого было установлено
особое понятие — период полураспада. Под этим термином следует по-
142
нимать время, в течение которого наличное количество радиоактивного
вещества каждый раз распадается ровно наполовину. Для радия период
полураспада равен 1590 лет. Таким образом,если в нашем распоряжении
сегодня имеется один грамм радия, то через 1590 лет у нас останется
лишь полграмма радия, и при этом образуется 500 миллиграммов свин-
ца. Через 1590 лет, однако, радий не разложится до конца, но снова по-
ловина грамма этого вещества испытает превращение и останется лишь
0,25 г радия. И так будет продолжаться и впредь. Через каждые 1590 лет
половина того количества радия, которое имелось в наличии в начале
данного периода времени, испытает превращение. Если мы отложим эти
значения на системе коорди-
натных осей, то мы получим
кривую, которая будет стано-
виться все более и более плос-
кой по мере приближения ее
к оси X. Это свидетельствует
о том, что имевшееся в начале
процесса количество радия, в
сущности говоря, никогда не
распадется полностью до кон-
ца, ибо чем меньше будет его
оставшееся количество, тем
меньше будет и то количество,
которое подвергается распаду
в течение очередных 1590 лет.
Период полураспада может
для разных радиоактивных
веществ характеризоваться со-
Рис. 67. Зависимость количества радия от
времени (Х-1590 лет).
вершенно различными величи-
нами. Уран очень долговечен,
его период полураспада дости-
гает 4 510 000 000 лет, между
тем как радон уже в течение 3,855 дней распадается наполовину. Эти
числа все же позволяют хотя бы представить себе возможность экспери-
ментировать, изучая изменения данных элементов. Но что мы можем
предпринять с такими веществами, которые характеризуются величиной
1
периода полураспада, равной qqqooo секУнАы» как например торий С'.
Это — «призрачные» элементы, которые в тот момент, в который они
образуются, тотчас же распадаются еще в руках экспериментатора.
Знакомство с рядами распада отдельных радиоактивных элементов,
равно как и с величинами их периода полураспада, представляет инте-
рес также и для геолога. Известно, что уран, переходя через радий, пре-
вращается в конце концов в постоянный элемент — свинец, причем в ре-
зультате этого часто образуется определенное количество гелия. Таким
образом, оказалось возможным на основании соотношения количеств эле-
КЗ
ментов урана — радия — свинца — гелия, обнаруженных в естествен-
но встречающихся породах, сделать заключение относительно возраста
земного шара. Этот возраст оказался равным 2 миллиардам лет, и это
число согласуется сданными относительно возраста Земли, получен-
ными другими методами.
Таким образом, во время радиоактивного излучения происходит
превращение одних радиоактивных элементов в другие элементы. При-
нимая во внимание, что при каждом радиоактивном элементе, испу-
скающем а-частицы, каждый атом распадающегося элемента теряет
одну а-частицу, т. е. одно ядро гелия, следует ожидать, что одновре-
менно с этим происходит также и потеря атомом двух положитель-
ных зарядов и что атомный вес при этом понижается на четыре еди-
ницы. Это и происходит при превращении радия в радон. Атом радия
содержит в своем ядре 88 протонов и имеет атомный вес 226. При излу-
чении одной а-частицы число протонов, а следовательно, и порядковый
номер становится равным 86, атомный же вес понижается до вели-
чины 222. Но эти данные как раз подходят для элемента радона.
Очень интересно обстоит дело с 3-лучами. В сущности можно было
бы предположить, что при их испускании не произойдет никакого изме-
нения веса, а также и никакого изменения порядкового номера, ибо ведь
те электроны, которые при этом выделяются, как можно было бы ду-
мать, должны происходить из атомной оболочки. И все же в элементе,
излучающем (3-лучи, число протонов увеличивается на одну единицу.
Как же это возможно? Атомное ядро, как уже было указано, содержит
протоны и нейтроны. Однако последние, как стало ясно в последнее вре-
мя, не представляют собой однородных частиц, но каждый из них обра-
зован в свою очередь из одного протона и из одного электрона, благо-
даря чему он и характеризуется тем, что имеет массу, равную 1, и что
эта элементарная частица является электрически нейтральной. Когда
же элемент излучает (3-лучи, то в его ядре один из нейтронов расщеп-
ляется. В то время как (3-частица ядра покидает его в виде электрона и
при этом вследствие своей незначительной массы не вызывает заметного
понижения ее, в ядре вместо этого нейтрона остается положительно за-
ряженный протон, благодаря чему общее число свободных протонов и
порядковый номер элемента повышаются на одну единицу. После ска-
занного мы уже сумеем понять и «правило смещения» Фаянса и
С о д д и, которое заключается в следующем:
1. При испускании а-лучей радиоактивный элемент сдвигается в
периодической системе на два места влево.
2. При испускании [3-лучей радиоактивный элемент смещается на
одно место вправо.
3. При излучении f-лучей не происходит никакого изменения ни
в заряде, ни в положении радиоактивного элемента.
Мы уже упоминали о том, что радиоактивные элементы радий
и радон являются членами одного большого ряда распадающихся эле-
ментов, начинающегося с урана и заканчивающегося свинцом. Теперь
144
Уран 1
Ю;ле?п\
Рис. 68. Упрощенная схема радиоактивного распада ряда урана — радия.
мы уже имеем возможность рассмотреть этот ряд в его совокупности
и понять превращение друг в друга отдельных составляющих его эле-
ментов. При этом мы применим для символов этих элементов такой ме-
тод их обозначения, который применяется и в атомной физике. Слева и
наверху мы будем обозначать атомный вес, т. е. число протонов и ней-
тронов вместе взятых, а слева и внизу — число одних протонов, каковое
Ю 3 . Шпаусус
145
число выражает также и заряд ядра. Оба эти числа однозначно опреде-
ляют состояние атома.
Этот упрощенно представленный ряд распада урана — радия не яв-
ляется единственным. Известно еще два других ряда распада, а именно—
ряд тория и ряд актиния. Как ни различны эти три ряда по своим про-
межуточным членам, но все они заканчиваются устойчивым свинцом. Од-
нако, определяя атомный вес этого свинца, образовавшегося столь раз-
личными путями, мы придем к неожиданному выводу, а именно, что
атомный вес свинца, образовавшегося в качестве конечного продукта
распада радия, имеет атомный вес 206,0, а атомный вес свинца, обра-
зовавшегося в конце ряда тория, имеет атомный вес 208,0 и, наконец,
атомный вес свинца ряда актиния обнаруживает атомный вес, равный
207,0. Все это дело становится еще более запутанным вследствие того,
что атомный вес свинца, обычно встречающегося в природе, равен
207,21. Мы имеем четыре разных свинца, для которых порядковое чи-
сло во всех случаях будет одинаковым, но которые все обнаруживают
неодинаковый атомный вес. Мы могли бы уже при рассмотрении ура-
норадиевого ряда распада обратить внимание еще на одно обстоя-
тельство. Мы исходили от урана и пришли сначала к элементу урану X,
который имел тот же самый порядковый номер, какой имел и элемент то-
рий, т. е. который в периодической системе элементов должен был бы
помещаться на том же самом месте, как и торий; затем мы получили
элемент уран Х2, имевший порядковый номер, равный 91, и который
занимал то же место в периодической системе, что и протактиний. На-
конец, в виде элемента радия С мы получили элемент, имевший порядко-
вый номер висмута, хотя он и отличался от висмута своей интенсивной
радиоактивностью. Этот вопрос подвергся весьма подробному изучению,
которое привело к тому, что в периодической системе обнаруживаются
изотопные элементы, которые занимают в ней одно и то же место (по-
гречески «изос» — равный, «топос» — место). У таких элементов заряд
ядра и порядковый номер — одинаковые, поэтому их следует считать
одним и тем же элементом, хотя они и отличаются друг от друга по атом-
ному весу на какое-нибудь целое число. Но это свидетельствует только
о том, что в ядре одного из таких изотопов содержится либо большее,
либо меньшее число нейтронов, чем в ядре другого изотопа. Однако не-
одинаковое число нейтронов в ядре не оказывает никакого влияния на
химический характер элемента, ибо электронная оболочка остается у них
у всех одинаковой, как одинаковыми остаются у них также число и рас-
положение электронов. Ввиду того что число электронов во внешней
оболочке оказывается в этих изотопах неизменным, не могут обнару-
живать никаких различий и химические их свойства. Некоторому из-
менению подвергается в таких изотопах лишь атомный вес, вслед-
ствие чего в небольшой степени они обнаруживают различие и по неко-
торым своим физическим свойствам.
Неожиданно число изотопных элементов оказалось весьма зна-
чительным. При этом увеличение их числа можно отметить не только
146
в отношении радиоактивных элементов, но и в отношении таких элемен-
тов, которые мы должны считать устойчивыми. В настоящее время из-
вестно лишь 25 элементов, которые не имеют изотопов и которые мы по-
этому должны рассматривать в качестве «чистых элементов». Нас не
удивит, если мы узнаем, что такие «чистые элементы» характеризуются
тем, что они обнаруживают целочисленные атомные веса.
Так как атомные веса следует рассматривать как суммы протонов
и нейтронов, из которых как одни, так и другие имеют величину 1, то эти
суммы обеих составных частей ядра, т. е. атомные веса, также должны
были бы быть равны целым числам. Поэтому до знакомства с изотопами
мы никогда не смогли бы объяснить себе, почему атомные веса некоторых
элементов не являются целыми числами, почему, например, для хлора
атомный вес равен 35,5. Но теперь мы легко можем себе объяснить это
обстоятельство. Природный хлор представляет собой смесь двух изото-
пов, причем изотоп хлора с атомным весом 35 участвует в образовании
этой смеси в количестве 75,4% по сравнению с 24,6% изотопа хлора
с атомным весом 37. В результате этого средний атомный вес смеси обоих
изотопов хлора должен характеризоваться числом, лежащим между чис-
лами 35 и 37, причем с учетом процентного соотношения обоих изотопов
в смеси, он должен быть ближе к числу 35, чем к числу 37, а именно дол-
жен быть равен уже давно известному числу 35,5. Другие элементы со-
стоят из еще гораздо большего числа различных изотопов, которые входят
в состав смесей атомов этих элементов, встречающихся в природном со-
стоянии. Так, например, природный осмий состоит из семи изотопов,
а олово — даже из девяти изотопов.
Исследования в области изотопов подтвердили одну старую теорию,
которая была высказана английским врачом Пру еще в 1815 году. Пру
обратил внимание на то, что атомные веса многих элементов характери-
зуются целочисленными значениями атомного веса водорода. По мнению
Пру, водород следовало бы считать как бы первичным веществом, которое
при своем уплотнении и вместе с тем при суммировании атомных весов
многих его атомов может образовывать все прочие элементы. Как ни
близка человеческому сознанию была такая идея сведения множества
химических веществ к единственному, все же теория Пру не смогла полу-
чить в то время всеобщего признания. Причины этого заключались в том,
что многие элементы, например хлор, характеризовались атомными
весами, находившимися между двумя целыми числами. Сам Пру это
противоречие решил слишком просто. Он просто округлил такие атом-
ные веса и объяснил разницу их по сравнению с целыми числами
просто неточным определением этих данных.
Хотя в некоторых случаях его объяснение неточности опреде-
ления и подтвердилось, все же при все более и более усовершенство-
ванной технике определения атомных весов всегда обнаруживались
для большинства элементов отклонения от той целочисленности,
которая могла бы быть согласована с гипотезой Пру. В настоящее вре-
мя мы в этом вопросе ориентируемся лучше. Водород для нас представ-
ши 147
ляется элементом, у которого ядро состоит из протона, и оболочка ко-
торого состоит из одного электрона. Если мы мысленно добавим к водо-
роду еще дальнейшие протоны и электроны, либо взятые в отдельности,
либо связанные друг с другом и образовавшие нейтроны, то мы можем,
исходя из водорода, построить все многообразие элементов, причем на
место одного элемента с атомным весом, представленным смешанным чи-
слом, т. е. целым числом с дробью, мы можем поставить смесь из не-
скольких его изотопов.
До сих пор мы уже получили много сведений об изотопах, однако
вполне законным было бы возражение, что в конце концов об их суще-
ствовании можно было бы говорить с полным правом лишь в том случае,
если бы удалось их получить в чистом виде, разложив смесь изотопов на
отдельные изотопы. Такое разделение оказалось впоследствии вполне
возможным при помощи различных методов.
Смеси изотопов, разумеется, нельзя разделить при помощи хими-
ческих реакций. Они являются, как это постоянно следует подчер-
кивать, одним и тем же химическим элементом с одинаковыми хими-
ческими свойствами, и при действии одних и тех же реактивов они бу-
дут вступать в одни и те же реакции. Здесь компетенция химика с его
химическими реакциями уже бессильна. На помощь должен прийти
физик.
Англичанину Астону одному из первых удалось осуществить
разделение изотопов при помощи изобретенного им «масспектрографа».
Этот прибор основан на принципе зависимости отклонения в магнитном
поле заряженных частиц от массы этих частиц. В этом приборе электри-
чески заряженные частицы при полете через электромагнитное поле от-
клоняются, причем степень их отклонения зависит от массы этих частиц.
А ведь только своей массой изотопы одного какого-нибудь элемента и
отличаются друг от друга. Отклоненные частицы регистрируются,
образуя след на фотографической пластинке. Полученный таким образом
«массовый спектр» допускает делать качественные и количественные
заключения относительно состава смеси изотопов.
По другому и по существу более простому пути пошел в 1938 году
К л у з и у с, применив метод разделительной трубки. В этом методе
газообразная или легко испаряющаяся смесь изотопов поступает в верти-
кально поставленную трубку длиной около девяти метров, которая
окружена кожухом, наполненным водой. Посередине трубы вдоль ее
оси, протянута проволока. При электрическом нагреве этой проволоки
создается разница температур между холодной стенкой трубки и горячей
проволокой. В этих случаях мы обнаружим действие физического
закона, согласно которому при образовании разницы температур насту-
пает и понижение концентраций, но только в обратном направлении
по сравнению с разницей температур. При определенных условиях
такая разница концентраций обусловливает диффузию — движение газов,
при котором более легкие молекулы перегоняют более тяжелые. Дви-
жение газовых молекул в разделительной трубке будет иметь на-
148
правление от холодной стенки к горячей проволоке, причем более
легкие молекулы будут перегонять более тяжелые и накопляться
ближе к нагревательной проволоке. Но одновременно благодаря на-
греванию происходит и движение струи газа по направлению снизу
кверху — поблизости от проволоки и по направлению сверху кни-
зу — поблизости от холодной стенки. Струи газа, обогащенные побли-
зости от нагревательной проволоки легким изотопом, будут, таким об-
разом, подниматься кверху и при длительном процессе вызовут обогаще-
ние газа этим изотопом в верхней части
трубки.
Существуют и другие возможности разде-
ления изотопов, однако мы упомянем только
еще об электролитическом методе, по кото-
рому почти исключительно и добывалась
тяжелая вода. Тяжелая вода медленнее раз-
лагается электрическим током на свои эле-
менты, чем обыкновенная «легкая» вода.
Если значительные количества воды мы
будем подвергать электролизу, то в конце
концов на дне сосуда в виде небольшого
остатка получим тяжелую воду.
Таким образом, мы одновременно косну-
лись и новой темы: тяжелой воды п тяжелого
водорода.
Итак, изотопы были найдены, и при по-
мощи масспектрографа стало возможным их
изучение. Все известные элементы были
исследованы Астоном и его сотрудниками
Рис. 69. Разделение изотопов
по методу Клузиуса.
с точки зрения того, состоят ли они из многих изотопов, или являются
чистыми элементами. В 1927 году Астон сумел установить, что значения
атомных весов, полученные при помощи масспектрографа, отличаются
на ничтожную величину от тех их значений, которые были получены
химическим путем: они меньше на 0,02%. Несмотря на значительное
число повторных определений, проведенных с исключительной точно-
стью, все время получались одни и те же результаты. Поэтому иссле-
дователи с полным правом пришли к заключению, что в водороде
должны присутствовать лишь весьма незначительные примеси тяжелого
изотопа. В 1931 году Ю р е й сумел обогатить природную воду тяже-
лой водой, которая в ней содержится лишь в виде следов, и показать,
что тяжелая вода представляет собой соединение кислорода с тяжелым
водородом, атомы которого содержат в ядре, кроме протона, еще и ней-
трон. Этот тяжелый водород получил название дейтерия и обозначается
символом D. Следовательно, тяжелая вода представляет собой окись
дейтерия и обозначается формулой D2O.
Само собой разумеется, что в дейтерии не следует видеть какого-
либо нового или отличного по его химическим свойствам от обыкновен-
на
кого водорода химического элемента: мы должны рассматривать его как
изотоп, который претерпел, однако, в связи с удвоением своего атомного
веса (2 вместо 1) существенные изменения своих физических свойств.
Это проявляется в особенности на важнейшем его соединении — тяже-
лой воде. Приведенная ниже таблица показывает нам некоторые констан-
ты обыкновенной воды и рядом с ними соответствующие константы тяже-
лой воды:
Легкая вода Н2О Тяжелая вода D2O
Плотность при 4° С . . 1,000° С
Точка кипения............... 100,000° С
Точка замерзания . . . 0,000° С
Температура при наи-
большей плотности. . 4,000° С
1,105° С
101,420°С
3,860° С
11,600°С
В то время как тяжелая вода — важнейшее природное соеди-
нение дейтерия— встречается еще сравнительно часто, ибо из ста лит-
ров воды можно выделить около двух кубических сантиметров тя-
желой воды, существует еще и третий изотоп водорода, который вслед-
ствие своей неустойчивости содержится в воде лишь в соотношении
1 : 1 000 000 000. В атомном ядре этого изотопа водорода, так называе-
мого трития (символ Т) содержится один протон и два нейтрона и по-
этому атомный вес его равен 3.
Наша вода в соответствии с этим не является индивидуальным
веществом, но представляет собой смесь различных изотопов. В то вре-
мя как Н2О составляет, разумеется, преимущественную часть воды, мы
в природной воде еще встречаем тяжелую воду D2O и в ничтожнейшем
количестве также окись трития Т?О.
Если все эти соединения являются соединениями чистых изотопов
воды с кислородом, то мы себе можем представить также и смешанные
соединения, в которых оба водородных атома в молекуле воды состоят
из неодинаковых изотопов. Такие соединения, как HDO, НТО или ДТО,
также содержатся в более или менее незначительном количестве в
природной воде.
Если до сих пор мы еще могли как-то сопоставлять составные части
атомных смесей, то такая возможность уже совершенно исчезнет после то-
го, как мы узнаем, что и кислород также имеет изотопы, которые в очень
различных количествах встречаются в воде в соединении с водородом.
Наряду с обыкновенным кислородом 16О, у которого атомное ядро по-
строено из 8 протонов и из 8 нейтронов, существуют еще изотопы 17О и
18О, в которых, следовательно, в ядре прибавляются один или два нейтро-
на. Если мы наряду с тремя изотопами водорода будем изменять также
и изотопы кислорода в молекуле воды, то уже получим гораздо более
значительное число комбинаций состава воды, которые, однако, содер-
жатся в воде в столь ничтожных количествах, что они не оказывают
никакого влияния на ее свойства да и вообще не могут быть обнаруже-
ны в ней. Мы можем установить разве только то обстоятельство, что
наша обыкновенная вода на 99,98% состоит из соединения Н2О и в сред-
150
нем на 0,02% из тяжелой воды D2O. Все прочие мыслимые соединения
водородных и кислородных изотопов ограничены ничтожным содержа-
нием в 0,0000001 %. Поэтому мы и впредь можем без каких-либо опасений
выражать формулу воды символом Н2О.
Чистая тяжелая вода в настоящее время отнюдь не представляет
собой редкость. Ее добывают, например, путем электролиза, однако на
ее получение требуется затрата очень большого количества электроэнер-
гии, ибо, как уже было сказано, при электролизе ста литров воды нераз-
ложившимися остаются лишь два кубических сантиметра тяжелой во-
ды. Поэтому стоимость тяжелой воды определяется в первую очередь
стоимостью затраченной на ее получение электроэнергии.
С тяжелым водородом и тяжелой водой были произведены самые
разнообразные опыты, которые дали в некоторых случаях весьма неожи-
данные результаты. Химические реакции, в которых участвует дейтерий
или тяжелая вода, могут протекать в зависимости от характера этих
реакций либо быстрее, либо медленнее, чем те же реакции протекают с
обыкновенной водой. Интересным является физиологическое действие
тяжелой воды, которое в общем случае проявляется в замедлении роста
и торможении жизненных процессов. Семена растений не прорастают в
тяжелой воде, небольшие животные, например рыбы, не могут жить в тя-
желой воде, также и для высокоразвитых млекопитающих она должна
считаться ядовитым веществом. Все это позволяет сделать заключение,
что тяжелая вода и соответственно дейтерий вызывают нарушение меха-
низма жизненных процессов.
Мы уже видели, что при естественно протекающих радиоактивных
процессах ядро атомов претерпевает превращение и что с изменением
числа протонов и химический характер элемента изменяется, а сам эле-
мент превращается в другой элемент. В этом факте и заключается ключ
проблемы превращения одних элементов в другие. Путем химических ре-
акций нельзя достигнуть такого превращения,ибо при химических реак-
циях бывают затронуты только электронные оболочки атомов. Желая
добиться превращения одних элементов в другие, мы должны изменить
ядро элемента. А это осуществляется в радиоактивных элементах само
по себе, без того, чтобы человек мог управлять этим процессом. Радий
распадается независимо от того, где и в каких внешних условиях он
находится.
Однако не все элементы обнаруживают заметную естественную ра-
диоактивность. Возможно ли сознательно повлиять на атомные ядра этих
устойчивых элементов и превратить их таким путем в другие элементы
или превратить их также в радиоактивные элементы? Если бы это оказа-
лось возможным, то этого можно было бы достигнуть лишь путем обстре-
ла соответствующих элементов корпускулярными лучами, например
теми, которые образуются при радиоактивном распаде.
От 3-лучей мы не можем ожидать больших результатов в этом от-
ношении. Несмотря на то что они вылетают с неимоверной скоростью,
масса составляющих их электронов слишком мала. И хотя энергия
151
движущейся частицы находится в зависимости как от ее скорости, так
и от ее массы, эта энергия все же оказывается недостаточной, чтобы
заставить электроны проникнуть внутрь ядра и осуществить потрясение
этого ядра в такой степени, чтобы оно разлетелось на более мелкие ча-
стицы. Поэтому нам придется воспользоваться а-лучами, которые при их
большой массе и вполне достаточной скорости, достигающей 20 000 км
в секунду, обладают вполне подходящими для этой цели свойствами.
Но при этом возникает новое затруднение: будут ли такие обстрелы во-
обще иметь успех, и как можно убедиться в том, что нам удалось
поразить таким обстрелом намеченную цель?
Слишком привычным для нас является представление о материи,
как о компактном веществе, и поэтому мы склонны себе представлять,
что выстреливаемые частицы уже во всяком случае должны будут столк-
нуться с атомами и вступить с ними в реакцию. Но в действительности
это не так. Вспомним то, что мы уже говорили по поводу соотношения
размеров в атоме. Согласно сказанному нами выше, вещество ведь лишь
в самой незначительной своей части образовано из материи, подобно Все-
ленной, в которой небесные светила расположены весьма далеко друг от
друга в пустом пространстве. Как же нам в этих условиях предпринять
наш обстрел? Мы имеем «лес», состоящий из деревьев, которые отстоят
одно от другого на расстоянии, может быть, десяти километров, и стре-
ляем по этому лесу вслепую горошинами. Вероятность того, что как-ни-
будь одно из деревьев окажется пораженным такой горошиной, будет
немногим больше, чем вероятность того, что, играя в лото, мы сразу же
заполним нашу карточку первыми же последовательными бочонками,
вынутыми сразу же из ящика. Так же обстоит дело и с нашими обстрела-
ми атомов. Случай попадания нашего снаряда в мишень далеко не яв-
ляется несомненным, и наоборот, следует считать большой редкостью
тот результат, когда а-частица действительно попадет в ядро атома и
вступит с ним во взаимодействие.
Но поставим перед собой новый вопрос. Каким образом можно ре-
гистрировать эти попадания? Ведь сами атомы столь малы, что мы их не
можем видеть даже через микроскоп, не говоря уж о еще более мелких
осколках атомных ядер. Однако в этом деле нам может оказать помощь
особая камера, сконструированная Вильсоном. Принцип дей-
ствия этой камеры состоит в следующем. При насыщении воздуха до
определенной температуры водяным паром и при последующем внезап-
ном охлаждении этого воздуха путем его расширения в камере окажется
в газообразной форме слишком много водяного пара: воздух будет пере-
сыщен водяными парами. Однако если при этом воздух будет совершенно
чист, то в нем не будет содержаться тех зародышей, на которых могла бы
начаться конденсация излишнего водяного пара. Такими зародышами
конденсации могут послужить в камере ионизированные молекулы воз-
духа, т. е. такие молекулы, у которых из внешней оболочки вышиблены
электроны, благодаря чему сами эти молекулы сделались заряженными.
Атомные снаряды, подобные нашим а-частицам, способны ионизировать
152
воздух или другие газы, благодаря чему они и образуют вдоль траек-
торий своего полета необходимые центры конденсации, на которых мо-
жет выделиться избыточный пар в виде тонкого следа тумана. На ри-
сунке изображен такой снимок камеры Вильсона. Испускающий а-ча-
стицы радиоактивный препарат находится в камере Вильсона. В тот
момент, когда благодаря внезапному расширению камеры, осуществлен-
ному путем вытягивания поршня, в ней произойдет понижение темпера-
туры и таким образом воздух окажется пересыщенным водяным паром,
мы произведем фотографическую съемку камеры. Вдоль траектории по-
лета а-частицы образуются зародыши конден-
сации, на которых в форме мелких капелек
выделится водяной пар, регистрируя благо-
даря этому и путь частицы.
Рёзерфорд в 1919 году применил тот же
метод. Он наполнил камеру вместо воздуха
азотом. В большинстве случаев при проведе-
нии этого опыта он не замечал ничего особен-
ного: а-частицы летели прямолинейно от своего
источника, оставляя за собой туманный след
траектории полета. Но очень редко обнаружи-
валось и другое явление. В какой-то точке вне-
запно путь а-частицы заканчивался, причем
начиная от этого места в камере получался
еще более тонкий туманный след, имевший уже
другое направление. Такого типа тонкий ту-
манный след был уже известен и раньше. Он
образовывался при полете водородных ионов
и при полете протонов.
Что же здесь произошло? Объяснением
может послужить лишь то, что одна а-частица
Рис. 70. Схема устройства
камеры Вильсона:
а — стеклянная пластинка, б —
радиоактивный препарат, в — ка-
мера, а — подвижной поршень.
в этом случае все-таки попадала в ядро атома
азота (других атомов в данном случае в камере
не было) и что при этом образовывался протон.
Эту реакцию можно изобразить следующим об-
разом:
17N4-2a-> ^O+Jp.
К 14 единицам массы ядра азота присоединились 4 единицы массы
a-частицы, в то время как заряд ядра увеличился на две единицы, от 7
до 9. Однако одновременно из ядра выделился один протон с массой 1
и с зарядом 1. В результате этого могло лишь образоваться ядро с массой
17 и с зарядом 8, т. е. изотоп кислорода. Этот пример представляет
собой случай превращения атома одного элемента в атом другого эле-
мента и основан на гораздо более трезвом расчете, чем те случаи превра-
щения одних элементов в другие, о которых мечтали на протяжении
столетий алхимики и ученые.
153
В последующие годы дело не остановилось на опыте Рёзерфорда.
В настоящее время описано очень большое число случаев и других пре-
вращений.
При сплавлении элемента бериллия с радиоактивным препаратом
а-лучи этого радиоактивного препарата попадут на ионы металла:
4Ве-|-2а-> ^C-f-on.
В этом случае к 9 единицам массы бериллия присоединяются 4 еди-
ницы массы ядра гелия, и заряд повышается на две единицы, от 4 до 6.
Однако углерод, который образуется при превращении бериллия,
содержит шесть протонов. Во всяком случае углерод имеет атомный вес 12,
Рис. 71. Треки частиц радиоактивного распада, наблюдаемые в камере
Вильсона.
между тем как сумма 9+4 равна 13. Таким образом, при этой реак-
ции может образоваться еще одна частица, которая должна иметь заряд
О и массу 1 — нейтрон. При помощи этой «бериллиевой пушки» уда-
лось впервые получить нейтроновые лучи, которые во все большей и
большей степени стали привлекаться в качестве снарядов для бомбарди-
ровки атомов. Действительно, скоро выяснилось, что именно нейтроны
особенно хорошо могут пригодиться для этой цели. Как протоны, так и
а-частицы, а также и дейтроны — ядра тяжелого водорода несут положи-
тельные электрические заряды. Но в этом и заключается их недостаток.
Дело в том, что ядра тех атомов, которые служат мишенью для упомяну-
тых выше бомбардирующих их частиц, также заряжены положительно.
Следовательно, если такой снаряд действительно приблизится к
ядру, а, как мы видели, это случается далеко не часто, то вполне может
случиться, что обе положительно заряженные частицы оттолкнутся друг
от друга, и снаряд, т. е. протон, отклонится от своего пути и обойдет свою
мишень, т. е. интересующее нас ядро.
Такой результат с особенно большой вероятностью наступит в том
случае, когда обе частицы не столкнутся непосредственно «в лоб», но
когда траектория выстрела представит собой как бы «касательную» ли-
154
нию по отношению к ядру. Вероятность попадания в этом случае сде-
лается, следовательно, еще меньшей. Иначе обстоит дело при обстреле яд-
ра нейтронами. Они имеют массу, равную 1, но совсем не имеют ника-
кого заряда и поэтому они очень пригодны для использования их в ка-
честве снарядов. Нейтроны не испытывают отклонения ни под влиянием
отрицательных зарядов электронной оболочки, ни под влиянием поло-
жительных зарядов ядра и летят прямолинейно по своей траектории,
по которой они двигались с самого начала. В настоящее время найден
способ сообщать этим нейтронам неимоверную энергию, благодаря чему
их действие на поражен-
ное ими ядро еще более
увеличивается.
При обстреле атомных
ядер а-лучами, нейтрона-
ми, дейтронами и т. д.
возможны разные резуль-
таты. При попадании та-
кой частицы в ядро она
может в него внедряться.
Образуется тело, которое
будет иметь массу и заряд,
увеличенные на столько
единиц, сколько их было
привнесено снарядом, по-
павшим в ядро. В некото-
рых случаях такое отяже-
левшее ядро остается ус-
тойчивым; мы построили,
следовательно, элемент с
более высоким порядковым
номером. Однако более
вероятным окажется слу-
чай, когда это тяжелое
ЯДро^ будет представлять рис> 72. Три возможных случая встречи бомбардиру-
СОбоЙ ЛИШЬ промежуточ- ющих частиц с атомным ядром.
ное ядро, которое в тече-
ние кратчайшего времени распадется, причем одна или несколько более
мелких частичек будут выброшены в сторону. Рассматривая случай
с нашей бериллиевой пушкой, мы выше уже познакомились с таким слу-
чаем. Если мы постараемся быть точными и учитывать также и образова-
ние этого промежуточного ядра, то мы должны будем формулировку уже
описанного выше процесса расширить и записать следующим образом:
9 г> I 4 13 12/0.1
4Ве + 2а->- 6С -> бС + оП.
Таким образом, при этом возникает неустойчивый изотоп углеро-
да, который тотчас же распадается, выбрасывая из своего ядра один
/55
нейтрон. Ввиду того что вылетающий осколок пораженного снарядом
ядра — нейтрон — легче, чем внедрившаяся в ядро при попадании
а-частица, в этом случае образуется элемент с более высоким атомным
весОхМ — устойчивый углерод с атомным весом 12.
Рис. 73. Поражение ядра бериллия а-частицей.
Возможно было бы также допустить, что неустойчивое промежуточ-
ное ядро распадется на два или на большее число осколков. В этом слу-
чае мы имели бы дело с подлинным расщеплением атома, в то время как
в первом случае было бы правильнее говорить о превращении атома. Та-
кое расщепление и происходит в том случае, когда, например, изотоп
Рис. 74. Схема, иллюстрирующая принцип
цепной реакции.
бора 10, будучи обстрелян дейт-
роновыми частицами, расщепля-
ется на три ядра гелия:
5B + 1D —>
Аналогичным процессом яв-
ляется и расщепление урана. И в
этом случае изотоп урана 235 при
обстреле нейтронами расщепляет-
ся на крупные осколки и, кроме
того, на новые нейтроны. Эти
нейтроны, образующиеся в боль-
шом числе, могут при определен-
ных условиях в свою очередь способствовать расщеплению новых ядер
урана, причем в результате этого расщепления снова будут выделяться
нейтроны. Мы в данном случае будем иметь дело с типичным примером
цепной реакции, которая может в течение самого кратчайшего времени
послужить причиной страшнейшей детонации. То обстоятельство, что
при этом выделяются колоссальные количества энергии, может быть
156
объяснено «дефектом массы» при расщеплении ядер урана, т. е. перехо-
дом ничтожно малой массы в колоссальное количество энергии.
Цепную реакцию можно сравнить с лавиной. Самый ничтожный тол-
чок вызывает ее начало. Часто самый малый камешек приходит в движе-
ние на вершине усыпанной камнями горы и при этом он перед собой
толкает другой камешек. Оба эти камня передают толчок еще двум камням,
и все четыре — новым четырем, и так этот процесс продолжается дальше:
16, 32, 64 и после двадцатого толчка уже миллионы камней с громадным
грохотом низвергаются в долину.
Таким образом, цепная реакция состоит из целого ряда следующих
друг за другом одинаковых процессов, из которых каждый в отдельности
вызван предыдущим равноценным процессом. При этом число участвую-
щих в этом процессе тел неизмеримо возрастает.
Выше речь шла о том, что образующееся при обстреле частицы про-
межуточное ядро является в высшей степени неустойчивым и тотчас же
распадается. Однако не всегда обязательно должно случиться именно так.
Если это промежуточное ядро распадается лишь в течение более или менее
продолжительного времени и если при этом из него вылетают мелкие
осколки, как например ядра гелия, электрон и т. д., то мы также имеем
дело с радиоактивным веществом, с той разницей,что его радиоактив-
ность была создана искусственно. Поэтому в таких случаях приходится
говорить об искусственной радиоактивности. Такая радиоактивность
появляется, например, в том случае, когда алюминий подвергается об-
стрелу нейтронами. При этом образуется, сопровождаясь первичным ис-
пусканием а-лучей, неустойчивый изотоп натрия 24, который далее рас-
падается с образованием магния и с испусканием (З-лучей, причем период
полураспада этого процесса составляет 14,8 часа:
F3Al+Jn->?lNa
I 14.8 час.,
В искусственном радиоактивном состоянии удалось получить очень
многие элементы, по крайней мере — важнейшие. Наряду с исключи-
тельно высоким, чисто научным интересом, который представляют эти
искусственные радиоактивные элементы, они приобрели, несмотря на
сравнительно короткое время, протекшее со времени их открытия, так-
же и громадное практическое значение: они стимулировали работу почти
во всех отраслях естествознания. Благодаря им оказалось возможным
получить «меченые атомы» элементов, снабдить атомы как бы особыми
«метками», выделять такие атомы среди однородной массы прочих атомов
и следить за их судьбой. Подобные атомы могут быть обнаружены при
помощи физических измерительных инструментов, как например при
помощи счетчика Гейгера и счетных трубок. Таким путем они могут быть
подвергнуты регистрированию. Благодаря этому оказалось возмож-
ным следить за их перемещением, даже не видя их самих. В особенности
в биологии и в физиологии этот «индикаторный метод меченых атомов»
157
(«индикатор» — указатель) нашел весьма частое и очень успешное при-
менение. Так, например, если мы интересуемся обменом веществ, содер-
жащих жизненно важный фосфор, если мы хотим знать, каким путем
этот фосфор продвигается в организме, в какие органы он проникает в
первую очередь, как протекает его циркуляция и его отложение в орга-
низме, то в пищевых продуктах к обыкновенному фосфору добавляют
небольшое количество радиоактивного фосфора, разумеется, в виде его
соединений. Этот радиоактивный фосфор в столь незначительных кон-
центрациях не может принести вреда организму, но он сопутствует
обыкновенному фосфору, реагирует так же, как и последний, и позво-
ляет везде, куда он попадет, зарегистрировать свое присутствие. При
этом точные высказывания относительно пути продвижения этого эле-
мента носят не только качественный, но и количественный характер, ибо
счетные трубки и счетчики Гейгера допускают делать заключения
также и относительно количеств радиоактивных веществ.
Более пятидесяти лет исследований атомов лежат позади нас.
В столь короткое время достигнуты большие успехи. Атом уже не яв-
ляется более гипотетическим прочным шариком. Мы очень много знаем
о его строении, о его величине и о его энергии, мы уже начинаем по-
нимать, как возможно использовать колоссальные количества накоп-
ленной в нем энергии. Но именно этим-то в значительной степени и по-
рождается громадная ответственность человека. Энергия атома может
быть использована двояким образом — как для блага, так и для унич-
тожения человека. Мы можем себе представить, как эта энергия будет
двигать моторы, генераторы и, возможно, приводить в движение транс-
порт, как она совершит революцию в деле обеспечения человечества
источниками энергии. Но можно также себе представить, как в форме
атомных бомб и путем выделения громаднейших количеств необуз-
данной энергии, а также путем отравления больших областей ковар-
ными радиоактивными лучами она будет иметь своим результатом
гибель значительной части человечества и разрушение его культуры
и цивилизации. Какие применения являются более ценными,— об этом,
по-видимому, не приходится и ставить вопроса. Вполне понятно, по-
этому, что проблемы атомной физики вышли далеко за пределы чистой
науки и волнуют не только политиков и ученых, но и все человечество.
Всякий из нас может для себя выяснить, должна ли атомная энергия
служить на пользу или на уничтожение человека; каждый из нас должен
сделать выбор между смертью и жизнью и поставить в соответствии с
этим выбором свою деятельность. Направление использования атомной
энергии представляет собой ныне проблему не только физическую или
техническую, но и социальную.
Тысячелетняя мечта человечества о трансмутации, превращении
элементов, осуществлена ныне атомной физикой. Но она предстала пе-
ред нами в гораздо более реальных, трезвых очертаниях, чем была ко-
гда-то в сознании алхимиков. Какой смысл превращать неблагородные
металлы в золото? Ведь эта задача равнозначна только уничтожению
158
современной золотой валюты. Но на передний план выступают ныне
проблемы гораздо более грандиозного значения, которые в гораздо
большей степени соответствуют затрате сил и расходов человеческого
общества. Во-первых, речь идет о приобретаемых в этих исследованиях
научных достижениях, а во-вторых, об их применениях, которые непо-
средственно оказывают влияние на всю нашу жизнь и на развитие дру-
гих отраслей науки. Хотя в настоящее время еще не удалось превратить
неблагородные металлы, как например свинец, в золото, но можно не
сомневаться в том, что рано или поздно это превращение будет осущест-
влено. Но оно не будет знаменовать собой революцию в хозяйственной
жизни и в финансовой структуре человеческого общества и не сделает
человечество ни на каплю богаче и счастливее. Быть может, расходы
на осуществление такой задачи окажутся значительно выше, чем
современная стоимость золота, в противном же случае золото превра-
тится в металл общего употребления, как свинец или цинк, и мы бу-
дем жить в эпоху «золотого века», как это и было много столетий
тому назад в обществе инков, которые рассматривали золото не в ка-
честве денежной валюты, а просто в качестве потребительского метал-
ла для своих изделий.
В следующей главе мы оглянемся назад на ту эпоху в истории
химии, когда очень односторонне и с совершенно негодными сред-
ствами и знаниями делалась попытка осуществить трансмутацию
неблагородных металлов, превращения их в «царя всех металлов»—
золото.
о «камне мудрецов»
Когда и где возникла алхимия — этого мы не знаем. Отдельные
химические знания и приемы восходят к предистории человечества.
Разумеется, здесь речь идет не о сознательных работах и не об исследо-
ваниях в современном смысле этого слова. Скорее это были наблюдения
и знания, которые человек собирал, сталкиваясь с явлениями приро-
ды, использовал и применял в своей жизни. Так было с покорением
огня, который дал человеку возможность впервые сделать для себя ме-
нее ощутимой смену времен года и который в руках человека стал мощ-
ным средством производства. Огонь сделал для человека возможным
обжиг глины и выплавку металлов. Человек приобрел опыт в исполь-
зовании для своих потребностей трав и других растений, установил
ядовитый или лечебный характер их соков и заложил основы лечеб-
ного искусства. Эмпирическим путем создавались приспособления,
которые в виде очага или перегонных приборов позволяли проводить
или облегчать переработку разных материалов. Для тех времен опыт
составлял все, так было и позднее в течение долгих времен. Для пра-
вильного объяснения разных явлений природы в те времена еще не су-
ществовало достаточных технических средств, знаний. Для этого не был
159
приспособлен и самый характер мышления человека. А в тех случаях,
когда человек пытался найти объяснение того, что он наблюдал, вместо
естественнонаучных закономерностей в его сознание проникали боги и
демоны.
У древних культурных народов — египтян, вавилонян, ассирий-
цев, евреев, финикийцев и персов, мы уже встречаем ряд химических
сведений, которые позднее у них переняли и еще более усовершенство-
вали греки, римляне и арабы. В конце концов эти сведения были зане-
сены и в Европу. Это были, во-первых, сведения, почерпнутые из
практических ремесел, которые продолжали применяться и в Европе.
Среди таких достижений следует упомянуть получение и обработку ме-
таллов, производство стекла, добычу лекарств и ядов, гончарное дело,
окрашивание тканей, производство мыла и т. п. Редко встречались
ученые, которые занимались такими работами. Часто глубокая пропасть
разделяла работников умственного и физического труда, а Аристотель
даже считал такую работу, как работа красильщиков тканей и составите-
лей мазей, занятием, приличествующим рабам. В большинстве слу-
чаев такие сведения приобретали и применяли в своей работе ремес-
ленники. Для них было достаточно знать, что тот или иной процесс про-
текает при определенных условиях, и в отношении этих процессов их ма-
ло интересовал ответ на вопрос «почему?». С другой стороны, у многих
народов химическими работами интересовалась каста жрецов, которые
представляли собой прослойку более образованных людей из народа.
Жрецы вносили в химию в значительной степени религиозные представ-
ления, которые мы встречаем в химии также и позднее в течение продол-
жительного времени, на протяжении всех средних веков. Жрецы не
имели в виду послужить своими знаниями большому кругу людей и
способствовать росту их сознания, но преследовали как раз противо-
положные цели. Своими знаниями они старались возвыситься над дру-
гими людьми и пользовались даваемыми этими знаниями возможно-
стями для того, чтобы одурманивать людей, доказывать и укреплять свое
превосходство над ними.
Из старинных рукописей мы узнаем, что еще давно существовало
стремление заменять редкие и драгоценные продукты природы искусст-
венными изделиями. Об этом мы узнаем из рукописей, обнаруженных
в 1828 году при раскопках могил в Фивах и опубликованных под на-
званиями «лейденский папирус» и «гольмский папирус». В этих ру-
кописях содержатся данные относительно египетских мастерских при
храмах, в которых разрабатывались секретные мастерства. Эти данные
указывают на то, что еще в те времена были известны способы придания
металлам другого вида путем обработки их поверхности, а также
способы изготовления искусственных драгоценных камней, жемчуга и
других украшений. Эти методы подделки предпринимались для того,
чтобы найти замену для редких материалов (каковая задача, подобно
посеребрению и хромированию металлов, вовсе не рассматривается в ны-
нешнее время как мошенничество). Но в некоторых случаях при этом
160
преследовалась цель сознательных недобросовестных подделок. Уже в
те времена мы встречаемся со стремлением превращать одни вещества
в другие, в особенности же со стремлением переделывать неблагородные
металлы в благородные.
Но разве химия не занималась в это время изучением веществ и их
превращений? При выполнении химических работ уже рано выясни-
лось, что многие вещества превращаются в другие. При наличии в те
Рис. 75. Алхимик (с картины худ. Теньера Младшего).
времена весьма незначительных знаний относительно закономерности
явлений вовсе не столь уже удивительным представлялось заключение
о том, что в конце концов задача превращения неблагородных металлов
в золото является задачей действительно выполнимой.
Это заключение казалось тем более возможным, что некоторые
опыты свидетельствовали в пользу такой возможности. Железо, приве-
денное в соприкосновение с солями меди, с поверхности покрывалось
медью, «превращалось» в медь. Разве таким путем уже не была в неко-
торой степени достигнута задача превращения неблагородного же-
леза в более ценную и более благородную медь? Ведь в то время инте-
рес к таким реакциям возбуждали только внешние явления, и еще не
могло быть получено объяснение, откуда появилась медь, и не пони-
11 3. Шпаусус
161
мали того, что она не возникла из железа, но была лишь осаждена из
раствора медной соли на поверхность железа. Далее, красную медь уда-
валось окрасить мышьяком в белый цвет и таким образом придать меди
цвет, присущий серебру. И в этом случае недалек был путь к пред-
положению, что этот процесс представляет собой уже ступень к превра-
щению одного металла в другой.
К тому же эти стремления сильно подогревались одним учением,
лодом. Путем целесообразных
свойств можно вывести четыре
которое постоянно воодушевляло алхимиков в их попытках трансмута-
ции элементов. Это учение основывалось на идеях греческих философов:
Аристотеля, Платона и
школы стоиков. В особенности учение
Аристотеля воспринималось даже и в
средние века без всякой проверки
большинством алхимиков, потому что
это учение шло навстречу их пожела-
ниям и служило оправданием их попы-
ток, а также и потому, что это учение
было принято господствовавшей в те
времена католической церковью.
Согласно учению Аристотеля, кото-
рое в этой области тесно примыкало к
учению Платона, материя характери-
зуется четырьмя основными свойствами:
влажностью, сухостью, теплотой и хо-
комбинаций двух из перечисленных
элемента («стихии»), а именно: огонь,
землю, воду и воздух. К этим четырем стихиям впоследствии еще был
присоединен мировой эфир. Существенное значение имеют не сами эти
элементы, а их основные свойства. Огонь характеризуется двумя свой-
ствами— теплом и сухостью, воздух — влажностью и теплотой, земля—
сухостью и холодом, наконец, вода — холодом и влажностью. При изме-
нении свойств и само вещество должно испытать превращение, мутацию.
На первый взгляд это и подтверждается при многих наблюдениях. При
нагревании воды, отличающейся свойствами холода и влажности, ее свой-
ство холода переходит в свойство теплоты, а ведь это уже свойство,
характерное для воздуха. Вода также исчезает при нагревании и обра-
зуется «воздух». Мы не должны, как говорит Вицингер, упрекать
Аристотеля в том, что он не умел отличить пары воды от воздуха. Этому
люди научились лишь много позднее, в XVI веке.
Мы также не можем его упрекать за предположение, что при выпа-
ривании воды она переходит в «землю» благодаря изменению ее свой-
ства влажности в сухость. В настоящее время мы знаем, что при этом
Аристотель имел в виду содержащиеся в природной воде соли. Однако
для дальнейшего развития науки простота его схемы была поистине гу-
бительной. Аристотель с гордостью приписывает себе доказательство
того, что могут существовать только четыре основных свойства, но он ни-
162
когда не представлял доказательств того, что, например, свойства тя-
жести и легковесности, длины и краткости или мягкости и твердости
не могут также быть рассматриваемы в качестве основных свойств
вещества.
Во всяком случае, философский авторитет Аристотеля и его уче-
ние о возможности взаимного превращения элементов явились «науч-
ным» обоснованием алхимии. Идея Платона об общей первичной ма-
терии также поддерживала мысль о вечном круговороте природы и о
постоянных превращениях, совершающихся в ней.
Все это идейное достояние древности было собрано в Александ-
рии — столице науки и оттуда распространялось дальше по странам
Востока. После крушения Римской империи алхимию стали культи-
вировать и развивать арабы. После военного покорения Северной
Африки и Испании арабские ученые появились и в Европе и занялись
духовным покорением побежденных стран. Они перенесли алхимиче-
ское учение и в Европу. Остатки алхимических взглядов сохранились
также в Византии и в Италии и после падения Западного Римского
государства. Эти остатки перемешались с тем, что после обратного по-
корения Испании еще оставалось и было заимствовано в этих странах.
Путь для распространения алхимии в Европе был свободен.
К этому времени существовало уже достаточное число алхимиче-
ских сочинений. Известны многочисленные книги легендарного Гер-
меса Трисмегистоса — «трижды великого Гермеса» (Мер-
курия), который считался главой всех искусств и всех «душ». Ему
одному приписывалось 36 525 сочинений, на которые постоянно ссы-
лались алхимики и которые еще в течение долгого времени считались
подлинными его сочинениями.
По его имени и алхимия, которой он овладел в совершенстве, была
названа «герметическим искусством», и даже еще поныне мы говорим
о «герметически» закрытом сосуде и о том своеобразном способе изоли-
рования пространства, который был в совершенстве известен алхими-
кам. Однако чем дальше мы проникаем в прошлое, тем беднее оказыва-
ются сведения о вышеупомянутом алхимике, пока, наконец, эти
сведения не иссякают совершенно. И так же обстоит дело с большинст-
вом других сочинений великих мастеров алхимии.
Обыкновенно в таких случаях речь идет о работах, опубликован-
ных другими лицами, которые были впоследствии обозначены именем
этих алхимиков. Называя автором таких книг какого-нибудь из
этих великих и мистических лиц, алхимики считали, что они таким
путем придадут этим книгам значительную убедительную силу и соз-
дадут для них видимость истины. Уже самые заглавия книг, имев-
ших в то время распространение, отражают расплывчатый, неясный и
мистический характер их содержания. Так, например, мы встречаем
книги «О большом камне и старинном мудреце», «Откровения скрытых
уловок», «О духе мочи». Часто ссылаются на «Книгу красоты», на «Книгу
семидесяти» и на «Книгу царей». Мы привели лишь некоторые примеры
И*
163
заглавий подобных книг. В большинстве книг авторы утверждают, что
они получили «Великий эликсир», «Камень мудрецов», «Квинт-эссенцию»,
«Пятую стихию», «Фермент ферментов» или «Красную тинктуру» и что
с помощью этих средств они сумели осуществить с успехом трансмута-
цию (превращение) одних элементов в другие.
Каковы были заглавия этих книг, таково, обыкновенно, было и
их содержание. Как раз в тот момент, когда дело доходит до описания
последних решающих опытов, способ описания становится столь темным,
что при всем желании из прочитанного уже ничего не удается понять.
Возможно было при этом написать величайшую бессмыслицу, и все же
сна могла показаться правдоподобной. Так, например, в одном описа-
нии мы читаем: «Возьми ртути столько, сколько необходимо, влей ее
в сосуд, который тебе известен, дай ей покипеть так, как тебе это из-
вестно, добавь вещества, о котором ты уже слышал, притом в таком ко-
личестве, о котором уже тебе было сказано. Это и будет таинство фикса-
ции ртути». И, наконец, при этом здесь нельзя догадываться ни о чем
лишнем, ибо «все это так ясно, так точно, что большего наставления не-
возможно и дать в этом описании, если ты не хочешь добровольно попасть
в ад за то, что ты открыл то, что творец строго запретил открывать». С дру-
гой стороны, можно только удивляться той ловкости, с какой авторы уме-
ли облекать в столь сильно запутанные выражения совершенно конкрет-
ные данные. Только легковерием и ослеплением людей тех времен можно
объяснить, что подобные «откровения» могли считаться ценными и муд-
рыми.
Обыкновенно религиозные, астрологические и магические воззре-
ния были перемешаны с алхимическими, и таким образом создавал-
ся язык, обогащенный аллегориями и туманными местами. Невольно
вспоминаются строки Гёте, которые он вкладывает в уста Фауста:
Являлся красный лев — и был он женихом,
И в теплой жидкости они его венчали
С прекрасной лилией, и грели их огнем,
И из сосуда их в сосуд перемещали.
При этом красный лев обозначал красную окись ртути, которая
с соляной кислотой (белой лилией) перегонялась из одной дистилля-
ционной колбы в другую.
Движение планет на небесном своде должно было оказывать боль-
шое влияние на успех «великого мастерства», а сами металлы были со-
звучны с семью планетами. Так, Солнце сопоставляли с золотом, Луну —
с серебром, Марса — с железом, Венеру — с медью, Сатурна — со свин-
цом, Меркурия — с ртутью, Юпитера — с оловом и обозначали эти ме-
таллы теми же знаками, которые служили и символами планет. В ка-
честве меры времени при проведении алхимических процессов ста-
новится обычным время, необходимое для произнесения некоторых
молитв, например молитвы «Отче наш». При алхимических работах
пользовались самыми неожиданными веществами, перерабатывали че-
164
репах и саламандр и утверждали, что стекло красного церковного ок-
на особенно хорошо пригодно для изготовления «красной тинктуры».
В полночный час рылись под виселицей при свете полнолуния,
отыскивая травы и корни. Разыскивали таинственную «terra Virginia»—
«девичью землю», относительно которой никто ничего не знал, ка-
кова она и где ее можно отыскать. Для этого испытывали все, что только
Рис. 77. Алхимический знак серебра. Рис. 78. Алхимический знак железа.
себе можно представить, ибо затрата труда и времени должна была оку-
питься в тысячекратнОхМ размере. «Камень мудрецов» должен был обес-
печивать не только вечное здоровье и продление жизни», но он должен
был также давать возможность превращать любые количества неблаго-
родного металла в вожделенное золото. Многие утверждали, что они ви-
дели такое превращение своими глазами и сами его осуществляли. «Возь-
ми от этого драгоценного снадобья кусочек величиною с бобовое зерно,
брось его в тысячу унций ртути, и эта ртуть превратится в красный
порошок. Унцию этого порошка соедини с тысячью унций ртути,
которые от этого также превратятся в красный порошок. После этого
одну унцию этого порошка брось в тысячу унций ртути, и из всего это-
го количества образуется то же снадобье. Отсюда унцию брось в тысячу
унций ртути, и снова получится то же снадобье. От этого снадобья в по-
следний раз возьми одну унцию и снова брось в тысячу унций ртути,
165
и тогда все превратится в золото, которое будет лучше того золота, ко-
торое добывается в рудниках». Значит, игра действительно стоила свеч,
и можно было позавидовать знаменитому алхимику, которому удалось
получить этот кусочек снадобья величиной с боб. Ему, вероятно, при-
шлось бы затратить много труда, чтобы добыть необходимое для превра-
щения в золото столь значительное количество ртути. Познакомившись
с таким безграничным преувеличением, мы поймем и высказывание ал-
химика. «Я мог бы превратить море в золото, если бы оно состояло из
ртути». Однако он не умел этого сделать даже с тем количеством ртути,
которое было в его распоряжении.
Не имели успеха и некоторые серьезные и критические люди, ко-
торые отвергали устремления алхимиков и энергично выступали про-
тив них устно и письменно. Так, например, Бернар Пенно т,
обедневший алхимик XVIII века, подводя итоги своей прежней деятель-
ности, высказал мнение, что «тот, кто желает кому-нибудь гибели, но
не может осмелиться открыто напасть на своего врага, должен побудить
его заняться изготовлением золота». Равным образом и поэты Данте
иПетрарка высказывались против искусства изготовления золота,
аСебастьян Бранд в своем «Корабле дураков» ясно высказал
свое мнение относительно алхимиков следующим насмешливым двусти-
шием:
«Пусть не останется здесь мною позабыт
Обман мошенника, алхимией прикрыт».
Ангелус Зала предостерегает людей от алхимии, «ибо то,
что не золото, ни я и никто другой не сможет никогда превратить в зо-
лото. От этих попыток многие тысячи людей высокого и низкого положе-
ния претерпели большое зло и ежедневно такое же зло еще испытывают
и многие другие». Еще в XVIII веке было известно изречение:
«Алхимию постигнуть каждый рад:
Безмозглый идиот, старик и юный фат,
Портной, старуха, юркий адвокат,
Монах плешивый, пастырь и солдат».
Но даже и запрещения заниматься алхимией, содержавшиеся,
например, в папской булле папы Иоанна XXII, а также те,
которые исходили от АльфонсаХ Кастильского и от различных
других князей и муниципальных повелителей, не имели никакого успе-
ха. Ведь многие уважаемые в то время ученые собственными глазами
наблюдали трансмутацию металлов в золото.
В период упадка алхимии проблему превращения металлов взяли
в свои руки обманщики или ослепленные невежды. Они получали под-
держку от очень многих князей, которым весьма улыбалась перспекти-
ва подкрепить алхимическим золотом их государственную казну, в
большинстве случаев весьма сильно истощенную роскошью их двора
и длительными войнами. Такие князья либо сами занимались попытка-
166
ми трансмутации, либо они раскрывали свои уши и свои мошны в поль-
зу алхимиков, которые, как мотыльки на свет, стремились к этим
княжьим дворам и своею деятельностью только увеличивали их и без
того большие денежные расходы. Они надеялись, что счастье им улыб-
нется так же, как оно когда-то улыбнулось английскому королю Эду-
арду III. Последнему будто бы в 1325 году алхимик приготовил
значительное количество золота, которое король должен был исполь-
зовать на снаряжение крестового похода. С вычеканенными из этого
золота шестью миллионами двойных дукатов в кармане, так называе-
мыми «розенобелями», Эдуард III предпринял поход против Франции.
На одной стороне этих
розенобелей был вычека-
нен корабль со знаком
розы, а на другой стороне
надпись: «Jesus autem tra-
nsiens per medium illorum
ibat» («Однако Иисус про-
шел через них насквозь»).
Подобно тому как Иисус
прошел, не будучи заме-
чен, через ряды иудеев,
так это было и с алхими-
Рис. 79. Монеты «розенобели».
ками, которые также ски-
тались непонятые и неуз-
нанные в массе народа. Нечего и говорить, что вся эта история была
придумана лишь в позднейшее время.
Большим другом и приверженцем алхимии был также император
Рудольф II. При его дворе были собраны алхимики из стран дру-
гих повелителей. Этих алхимиков он щедро поддерживал деньгами в
надежде получить от них когда-нибудь рецепт получения «камня мудре-
цов». Кроме того, он действовал и самостоятельно и усердно экспери-
ментировал, пытаясь добиться своей цели. Однако он не добился ус-
пеха, так же как и его алхимики. Еще ныне в Праге улица «изготови-
телей золота» напоминает об этом времени.
Многие другие князья также становились жертвой жадности к зо-
лоту и старались овладеть им либо при помощи алхимического искусст-
ва, либо при помощи собственных опытов, либо, как это случалось ча-
ще, при помощи странствующих алхимиков. Даже славившийся своей
рассудительностью Фридрих II организовал на Острове Павлинов
в Берлине проведение некоей женщиной П ф ю л ь алхимических опы-
тов, однако скоро прервал их и при этом признался, что он «себя
очень опозорил». Все эти события происходили в период распада алхи-
мии, в течение которого уже начала отделяться от описанных псевдо-
научных вожделений подлинная химия. В это время алхимиками были
главным образом либо фанатичные мечтатели, либо отъявлен-
ные мошенники, которые повторяли свои опыты в глухих уголках
167
или переезжали с места на место, чтобы шарлатанить и этим наживать
себе капитал.
Иначе обстояло дело в самом начале распространения алхимии
в Европе. Правда, и в это время часто встречались такие же явления,
которые преобладали позднее, однако в то время пока еще на перед-
нем плане стояло искреннее стремление к познанию, пусть это стремле-
ние и заключалось в намерении открыть способ превращения одних эле-
ментов в другие. Впервые в Германии стало известно о появлении
одного из алхимиков в 1063 году. Это был крещеный еврей по име-
ни Павел. Он появился при дворе архиепископа Адальберта
Бременского и объявил, что умеет делать золото. В это время при
княжеских дворах еще царили гораздо более рассудительные нравы,
чем несколько столетий спустя. Поэтому заявление этого алхимика не
было принято всерьез, а самого его прогнали.
Те классические алхимики, которые действовали и распространяли
свое учение в XVIII веке на Востоке, были значительными личностями,
весьма серьезно и критически обращавшимися с алхимическими метода-
ми. Среди них можно назвать Альбертуса Магнуса, сына графа
Больштедтского и монаха ордена доминиканцев. Пользуясь высоким ува-
жением среди своих современников, присвоивших ему титул «Doctor mira-
bilis» («Изумительный доктор»), он странствует от одного монастыря
к другому через всю Европу и во время своих странствий производит бо-
танические, зоологические и минералогические исследования. Про него
говорилось, что он «magnus in magia, major in philosophia, maximus in
theologia» («Велик в магии, более велик в философии и больше всего ве-
лик в богословии»). В тех написанных им книгах, относительно которых
была доказана их подлинность, он уже описывает и восхваляет преиму-
щество возгонки и перегонки, а также и других методов и приборов
химического исследования. Хотя Альбертус Магнус и верил в возмож-
ность искусственного получения золота, он все же проявляет достаточно
откровенности для того, чтобы сознаться, что он еще не видел алхи-
мика, который бы действительно изготовил настоящее золото. При
основательном последующем испытании изготовленное золото всегда
оказывалось поддельным, а соответствующий его составитель был разоб-
лачен как мошенник.
Подлинным алхимиком является, по мнению Альбертуса Магнуса,
природа, и ее действия могут быть в лучшем случае только поддержаны
действием «снадобий».
Другой философ, на которого позднейшие алхимики часто ссыла-
лись с глубоким уважением, англичанин Рожер Бэкон родился
в 1214 году. И ему также было присвоено звание «Doctor mirabilis». Он
отличался необыкновенной остротой мышления, а также прямотой, за-
ставлявшей его бесстрашно выступать против господствовавших в те
времена авторитетных владык религии, а это в то время было рав-
носильно кощунственному преступлению. Благодаря этому он при-
обрел много врагов и вынужден был провести многие годы своей жиз-
168
ни в темнице. И хотя Бэкон был одним из первых, кто утверждал, что
эксперимент является масштабом познания, он верил также и в сущест-
вование «камня мудрецов» и пытался осуществить превращение одних
металлов в другие при помощи химических опытов.
Равным образом и в лице искусного врача Арнольда В и л л о-
новануса и Раймунда Лулла мы видим представите-
лей таких алхимиков, которые на основании своих подлинных, а
также на основании приписываемых им сочинений могут считаться ис-
следователями, оказавшими в последующее время значительное влияние
на развитие химии.
После своего высшего подъема алхимия безнадежно скатилась в бо-
лото лжи и мошенничества, и ее научные достижения становились все
более и более ничтожными. В это время на большую высоту выдвигаются
достижения только одного человека, который обнаружил способности и
знания, в значительной степени возвышающие его по сравнению с дру-
гими алхимиками его времени. Это был монах Василий Вален-
тин. Правда, и он восхвалял алхимическое лжеучение, но, с другой
стороны, он привлек химию к делу изготовления лекарств и к врачева-
нию болезней и таким путем предопределил то направление, которое
позднее приобрело название «я т р о х и м и и» — «врачебной химии».
Это направление в особенности благодаря достижениям Парацельса
способствовало наступлению новой эры в развитии химии.
Однако вернемся снова к тому времени, когда алхимическое учение
обнаруживало свой высший расцвет. Все время снова и снова поступа-
ют сведения относительно якобы увенчавшихся успехом опытов превра-
щения металлов. При этом ссылаются на алхимиков, появившихся
при каком-нибудь дворе и изготовивших на глазах свидетелей на-
стоящее золото. Так, например, ссылаются на отчет уважаемого и из-
вестного в качестве исключительно добросовестного ученого Иоган-
на Баптиста Ва н-Г ельмонта (1566—1644), который
будто бы лично получил кусочек «камня мудрецов» и утверждал, что
он собственноручно осуществил при помощи этого кусочка превраще-
ние ртути в золото. Однако послушаем что говорит он сам: «Я получил
один раз четверть грана «камня мудрецов», обернул его в воск для
того, чтобы из тигля он не был выброшен парами угля, и бросил его
на поверхность полуфунта нагретой ртути, находившейся в обыкно-
венном трехугольном тигле. Ртуть вскипела и превратилась в густую
кашу. При усилении огня металл снова расплавился. При выливании
из тигля было получено восемь унций чистого золота. Одного грана
«камня мудрецов», таким образом, было достаточно, чтобы превратить
19 000 гран ртути в золото». Эта выдержка из записи Гельмонта указы-
вает на то, что, по всей вероятности все так действительно и было, как
он описывает, однако не подлежит сомнению, что он сам стал жертвой
искусного мошенничества. На радостях, что ему удалась трансмутация,
Гельмонт дал своему сыну имя Меркурий. Последний также сде-
лался на всю свою жизнь усердным, но бесплодным алхимиком.
169
Рис. 80. Альберт Великий со своими учениками
Нечто подобное произошло и позднее, через несколько десяти-
летий. Доктор Иоганн Фридрих Гельвеций был из-
вестен как противник алхимии. Он боролся против нее словом и
пером. И вдруг в 1666 году он становится убежденным сторонником этого
учения. Что же случилось? В этом году к нему пришел чужестранец,
подарил ему покрытый воском кусочек «камня мудрецов» и описал
ПО
ему способ трансмутации металлов. Он оставляет у Гельвеция этот ку-
сок «камня мудрецов» и обещает вернуться следующим вечером, чтобы
совместно с ним осуществить превращение свинца в золото. Однако он
не возвратился, и Гельвеций, мучимый любопытством, сам проводит
описанный опыт и имеет успех. Из свинца получилось золото, подлин-
ность которого была подтверждена как ювелиром, так и чеканщиком
монет. Конечно, и в этом случае мы имеем дело с несомненным мошен-
ничеством.
Известны некоторые уловки, которые часто практиковались ал-
химиками при их мошенничествах. Часто перед опусканием «камня муд-
рецов» в тигель в последний вносилось некоторое количество золота.
Это могло быть осуществлено путем устройства в тигле второго дна, в
котором стержнями, применявшимися для перемешивания, про-
бивались углубления, или это осуществлялось путем сокрытия зо-
лота в древесном угле. Алхимик Турнейссер утверждал, что
в его распоряжении имеется тинктура, производящая золото. Для
подтверждения своих слов он погружал железный гвоздь в красно-
ватую жидкость, превращавшую гвоздь до уровня его погружения
в золото. Объяснение было очень простым. Турнейссер пользовался
гвоздем, имевшим золотой стержень, выкрашенный в цвет железа.
В жидкости эта железная краска растворялась, и золото обнаружива-
лось в чистом виде.
Герцог Фридрих Вюртембергский также был од-
нажды одурачен одним алхимиком. В погребе в присутствии гер-
цога тигель с наполнявшими его веществами был поставлен на
огонь; при этом были произнесены необходимые слова заклинания и
затем все, а также и сам алхимик должны были покинуть погреб,
который и был наглухо заперт и запечатан печатями. Когда через неко-
торое время все снова вошли в погреб, таинство уже свершилось. В тиг-
ле было обнаружено чистое золото. Однако тайна была скоро разобла-
чена. Когда все вышли из погреба, мальчик, которого алхимик спрятал
в погребе в ящик, вылез из этого ящика и бросил немного золота в ти-
гель. Алхимик был наказан так, как в то время обыкновенно наказы-
вали за подобные преступления. Он был усыпан золотыми блестками
и повешен на позолоченной виселице.
В это время быть алхимиком было уже опасно. Тот, кто отважи-
вался на мошенничество и при этом попадался, обыкновенно кончал по
приказанию обманутого князя свою жизнь на виселице. Многих алхи-
миков заключали в темницу, наоборот, именно потому, что им удалось
убедить окружающих в том, что они владеют своим искусством. В этом
случае князья опасались, что они скроются, унося с собой свою тайну.
В тех случаях, когда какому-нибудь князю надоедали безуспешные
старания такого алхимика, последний иногда предавался пытке, ибо его
молчание и безуспешные работы рассматривались как шантаж.
Для поощрения работ алхимиков в XVII веке и в более позднее
время образовывались общества. Наиболее известными из них были Об-
171
Рис. 81. Аллегорическое изображение из алхимического сочинения.
щество Розенкрейцеров и Герметическое общество. Очень показательным
и свидетельствующим о невежестве и об отсутствии критичности
является тот факт, что оба эти общества обязаны своим возникновением
шутке.
Поводом для учреждения Общества Розенкрейцеров послужило
сочинение «Химическая свадьба Христиана Розенкрейцера», поя-
вившееся в 1616 году. В этом сочинении рассказывалось об одном
человеке Христиане Розенкрейцере, который в XIV веке жил на
Востоке и там познакомился со всеми работами алхимии. Когда не-
сколько лет спустя была вскрыта его могила, то в ней оказались очень
ценные рукописи, которые и поступили во владение Общества Розен-
крейцеров. Лишь уважаемые и добросовестные алхимики имели право
вступать в это общество и могли через его посредство приблизиться
к великим мудростям. Названное сочинение принадлежало перу од-
ного вюртембергского священника, который в качестве усердного про-
тивника алхимии сочинил эту сатиру, чтобы разоблачить мошенниче-
ские и лженаучные работы алхимиков. Однако алхимики приняли
это сочинение всерьез и горячо приветствовали его появление. Повсю-
172
Рис. 82. Карикатура на алхимиков (по картине Петра Брюгеля),
ду появились кружки Общества Розенкрейцеров, которые продолжали
существовать еще и в XVIII столетии.
Так же обстояло дело и с Герметическим обществом. В 1796 году
в одной весьма распространенной газете появилось объявление об ос-
новании так называемого «Герметического общества», в которое могли
вступать все покровители и сторонники алхимии, чтобы совместно ра-
ботать в этом обществе над методами превращения одних металлов в дру-
гие. Они получат в этом обществе совет и помощь и, с другой стороны,
должны и сами делиться своим опытом с обществом. Последовал
целый поток писем. На каждое письмо был добросовестно послан
ответ, часто в очень туманных выражениях. Долгое время сущест-
вовало это общество. Позднее выяснилось, что оно было организо-
вано по инициативе двух врачей, доктора К а р т у м а, который
снискал себе славу в качестве поэта «Жобзиады», и его друга доктора
Беренса. Хотя и имеются сведения, что доктор Картум был твер-
до убежден в возможности трансмутации, все же высказывается и
подозрение, что при основании этого общества с его стороны следует
предположить проявление юмора.
Еще до нашего времени то и дело проскальзывают новые предпо-
ложения о возможности изготовления золота даже в сознании часто весь-
ма серьезных людей. В появившейся в 1832 году книге «История алхи-
173
мии» автор этой книги профессор Ш м и д е р, высказывает ту точку
зрения, что в некоторых случаях удавалось превращать неблагородные
металлы в благородные металлы. Даже в XX веке (!) был поднят про-
цесс против одного мошенника, который под предлогом изготовления
золота получал от уважаемых людей деньги, не выполняя после этого
обещанного им превращения. Вспомним и о писателе Стриндбер-
г е, который также заигрывал с алхимией и о котором Ш л е й х в
своих воспоминаниях рассказывает, что он однажды появился с веще-
ством, имевшим вид золота, получив это вещество в качестве промежуточ-
ного продукта по пути изготовления золота. Он предложил исследовать
это вещество профессору Берлинского университета Ландольту.
В связи со сказанным следует еще упомянуть об открытии д-ра
Мите, который в 1913 году, будучи профессором Берлинской выс-
шей школы, при своих работах с дуговыми ртутными лампами уста-
новил, что при длительной работе этих ламп в ртути удается обнару-
жить ничтожные количества золота. Мите никоим образом не являлся
алхимиком. Возможности появления этих незначительных коли-
честв золота в ртути не приходится, однако, отрицать. Из других частей
света также поступили сведения, подтверждающие открытие Мите.
Тщательные анализы ртути до наполнения ею ламп всегда показывали
отрицательный результат в отношении присутствия в ней золота, и обна-
руженные впоследствии количества золота не могли поступить из самой
ртути. Эти опыты были неоднократно повторены с соблюдением строжай-
ших предохранительных мероприятий, чтобы избежать возможного
проникновения золота в аппаратуру извне. Однако неизменно опыт да-
вал положительный результат. Через два года загадка разъяснилась.
При электрических разрядах это золото могло перейти из провода и из
электродов в ртуть и в этой ртути накопляться.
Бросив обобщающий взгляд на эпоху алхимии, мы можем уста-
новить, что развитие химии в течение этой эпохи зашло в тупик, из
которого она могла выбраться лишь с величайшими трудностями. Если
научная химия уже приблизительно в XVII веке освободилась от стрем-
ления получать золото, то все же находились отдельные ее представи-
тели, которые все время возвращались к поискам «камня мудрецов»,
подобно тому как и после научного обоснования невозможности созда-
ния «perpetuum mobile» (вечного двигателя) стремление сконструиро-
вать такую машину, которая бы из самой себя черпала возможность свое-
го движения, еще долгое время не могло иссякнуть.
Что же касается подлинных научных результатов алхимии, то
они по сравнению с затраченным временем и трудом должны быть
признаны крайне незначительными. Правда, было бы ошибкой при-
знать всю эту эпоху совершенно бесполезной. И отрицательные ре-
зультаты являются результатами, а при выполнении своих работ ал-
химики получили возможность познакомиться со многими вещест-
вами и усовершенствовать методы химической работы и химические
приборы.
174
При изучении методов получения таинственного элексира алхимики
не были слишком разборчивы в подыскании исходных веществ, и
человеческие выделения пользовались при этом особым преимуществом:
они якобы особенно успешно обеспечивали возможность изготовления
этого элексира. Так, в 1669 году один алхимик в Гамбурге по имени
Брандт выпаривал человеческую мочу и прокаливал после этого
сухой остаток, оставшийся в чашках после ее выпаривания. При этом
ему удалось сделать замечательное наблюдение. Содержимое чашки
светилось в темноте зеленым свечением. Во время прокаливания содержа-
щийся в моче фосфор восстанавливался действием углеродистых веществ,
содержащихся в ней, и при этом образовывалось вещество, которое в соот-
ветствии со своей способностью к свечению получило название фосфо-
ра— «носителя света» (по-гречески «фос» — свет, «фосфор» — несущий
свет).
Известно также и открытие фарфора Фридрихом Беттге-
р о м. Он работал в качестве аптекарского ученика в одной бер-
линской аптеке и в 1701 году познакомился с одним алхимиком,
который произвел трансмутацию перед его глазами и передал ему
также кусочек «камня мудрецов». Беттгер после этого сам стал выда-
вать себя за алхимика и привлек к себе внимание самого короля
Фридриха I. Однако он предпочел бежать через саксонскую гра-
ницу и прибыл в Дрезден ко двору Августа Сильного. Здесь
он был очень хорошо принят, но скоро ему пришлось убедиться, что
он попал из огня в полымя. Уже через короткое время он снова по-
явился на ярмарке в Кенигштейне, и здесь его снова заставили изготов-
лять золото, ибо и Август II умел ценить золото, а Беттгер должен был
ему обеспечить его получение. Во время его безуспешных стараний ему
удалось, на основании опытов Чирнгауза, получить фарфор.
Август II понял скоро, что этот результат также может доставить ему
золото и назначил Беттгера управляющим новопостроенной фарфоро-
вой фабрики в Мейссене.
Теперь мы знаем, что привело алхимию к крушению, но мы также
знаем, что превращение одних элементов в другие вполне возможно и что
во многих случаях проведение такого превращения должно быть при-
знано успешным, пусть совершенно иным путем и совершенно иными
средствами. Однако мы все же и в настоящее время не разделяем
мнения, высказанного профессором Гитанером, который еще в
1800 году утверждал:
«В XIX веке превращение одних металлов в другие будет вообще
осуществлено. Каждый химик будет уметь изготовлять золото. Кухон-
ная посуда будет изготовлена из золота и серебра. Это будет в значи-
тельной степени иметь своим результатом то, что мы будем ограждены
от многих заболеваний и что наша жизнь будет продлена... Какая это
будет революция в человеческом обществе! И все же эта революция,
как признает всякий просвещенный химик, не только вероятна, но да-
же и наступит в скором времени!»
175
СТЕКЛО
«Gluck and Gias — wie leicht bricht das» («Счастье и стекло —
как легко они разбиваются!»), — гласит немецкая пословица, которая,
определяя только одно свойство стекла, дает ему очень одностороннюю
характеристику. Конечно, вообще говоря, стекло очень легко разбива-
ется и очень чувствительно к действию удара и толчка. Это каждый из
нас испытал сам, к своему глубокому сожалению, на практике, когда
какая-нибудь цветочная ваза или оконное стекло превращались в гру-
ду осколков.И все же стекло должно обладать целым рядом благоприят-
ных качеств, которые позволяют ценить выдающееся значение стекла
в науке, хозяйстве и в повседневной жизни. В конце концов в настоящее
время оно стало одним из важнейших материалов, и достаточно только
осмотреться вокруг, чтобы заметить, что стекло встречается повсюду в
самых разнообразных формах и имеет самое разнообразное применение.
На всем свете ежегодно вырабатывается около 6 миллиардов буты-
лок, 500 млн. ж2 оконного стекла и более 1 миллиарда лампочек на-
каливания, а также более 1 миллиарда километров стеклянных трубок.
Эти цифры очень убедительно иллюстрируют значение стекла.
Наиболее важнььм свойством стекла является его прозрачность.
Мы встретим его повсюду там, где лучи света должны проникать
через препятствие и где, наоборот, требуется отделить какое-нибудь
пространство от его окружения. Через оконное стекло нам желательно
иметь возможность видеть внешние предметы, и, с другой стороны, оно
должно дать нам защиту от ветра и дождя. Свет лампочек накаливания
должен освещать не только внутреннее пространство самой лампочки,
но, проникая через стекло, он должен освещать и все помещение. Химик
все время хочет видеть все то,что совершается в его колбах и ретортах.
Линзы и призмы преломляют и отклоняют лучи света в самых разно-
образных направлениях и позволяют человеческому глазу увидеть при
помощи микроскопов и телескопов самые малые и самые отдаленные
предметы.
Однако в стекле мы ценим не только его прозрачность. Его неак-
тивность по отношению к химическим реактивам и его устойчивость по
отношению почти ко всем веществам значительно способствовали его
распространению. Мы ожидаем от нашего оконного стекла, что оно не
растворится в каплях дождя. Равным образом, стекло винной бутылки
не должно вступать в реакцию с мозельвейном. Наконец, стекло вовсе
не так чувствительно к механическому воздействию, как это кажется
на первый взгляд. Правда, оно плохо сопротивляется внезапно ока-
занному механическому воздействию, как толчку или удару, однако
при медленном действии механических сил стекло выдерживает очень
высокие давления и натяжения. Толстые стекла сравнительно мало под-
даются сгибанию, в то время как тонкие стеклянные нити могут про-
являть крайнюю эластичность и уже в настоящее время перерабатыва-
ются на ткани.
176
Рис. 83. Строение безопасного стекла.
Небьющегося стекла не существует. То, что приобрело такое на-
звание, например плексиглаз, представляет собой органическое синте-
тическое вещество, вроде целлофана или целлулоида, которые, правда,
не разбиваются с образованием осколков, но зато они мало сопротивля-
ются температуре и проявляют незначительную твердость, так что струя
мелких песчинок с течением времени делает поверхность такого стекла
шероховатой и матовой. Для автомобилей можно изготовлять так назы-
ваемое безопасное стекло, которое, хотя и разбивается, как обыкновен-
ное стекло, но при этом не образует острых осколков и при катастрофе
не может поранить водителя. Это — обыкновенное стекло, которое путем
особой обработки сде-
лано безоскол очным
благодаря тому, что к
прозрачному целлулои-
ду прижимаются две
тонкие стеклянные
пластинки. Этот целлу-
лоидный слой и сдерживает осколки стекла при изломе стеклянных
пластинок.
Следует упомянуть еще об одном свойстве стекла, которое воз-
никает только благодаря применяемому в настоящее время методу его
изготовления. Мы уже неоднократно рассматривали агрегатные со-
стояния веществ и при этом указывали, что переход от одного агре-
гатного состояния в другое, например из твердого в жидкое, насту-
пает внезапно при какой-нибудь определенной температуре. Для
льда точка плавления наступает при 0°. Когда эта температура будет
достигнута, то сразу твердая равномерно построенная кристалли-
ческая решетка, по узлам которой были расположены ионы или мо-
лекулы, нарушается, и твердое вещество переходит в беспорядочнее,
жидкое агрегатное состояние. Совершенно так же внезапно протекает
и противоположный процесс — замерзание. В этом случае мы гово-
рим о точке замерзания или точке кристаллизации, наступающей при
0°С. При этой температуре энергия молекул оказывается в такой силь-
ной степени пониженной, что они находятся в пределах области дей-
ствия более значительных сил взаимного притяжения и включаются в
кристаллическую решетку. И в этом случае изменение жидкого агре-
гатного состояния в твердое происходит без постепенного перехода.
Иначе обстоит дело со стеклом. Мы можем его нагревать и устано-
вим при этом, что оно не перейдет внезапно в жидкое состояние. Мы даже
не в состоянии указать, при какой именно температуре достигается жид-
кое агрегатное состояние. Чем выше нагревают стекло,тем оно стано-
вится мягче, пока, наконец, оно может быть названо жидким, при-
чем и после этого еще вязкость, тягучесть будет очень заметно понижать-
ся по мере повышения температуры. Если мы в нашем первом примере
могли указать определенную, точно установленную точку плавления,
то для стекла речь могла бы идти в лучшем случае об «интервале раз-
12 3. Шпаусус
177
мягчения». Соответственным образом дело обстоит и при охлаждении.
Твердость стекла при понижении температуры все более и более по-
вышается и наконец достигает своей величины, известной для обыкно-
венной температуры.
В твердом состоянии стекло не является кристаллическим вещест-
вом, но веществом аморфным, т. е. его молекулы находятся в беспоря-
дочном и неорганизованном по отношению друг к другу положении.
Стекло при охлаждении в некотором роде как бы «забывает», что оно
должно кристаллизоваться. В этом смысле стекло можно рассматри-
вать как бы в качестве переохлажденной жидкости. Ввиду того что
Вода
5
I
I
Лёд ]
Q’C
| . Температура
Точка плавления
молекулы стекла не расположены
неподвижно по узлам кристалли-
ческой решетки, они в некоторой
небольшой степени отличаются
подвижностью. Твердое стекло
способно поэтому весьма медленно
изменять свою форму. Если мы
установим вертикально длинную
стеклянную палочку и оставим ее
Рис. 84. Внезапное изменение агрегатного на долгое время СТОЯТЬ непоД-
состояния воды. вижно, то она постепенно со-
гнется, ибо молекулы будут пы-
таться уклониться от действия сил, непрерывно действующих на них
в одном и том же направлении. Стекло также может и кристаллизо-
ваться, однако это будет процессом нежелательным, ибо при этом оно
тускнеет и становится непригодным. При слишком долгом нагревании
стекла до более высокой температуры таким образом, чтобы оно остава-
лось мягким, ионы его
становятся более подвиж-
ными, и в их распоряже-
нии оказывается достаточ-
ное время, чтобы занять
определенные места в кри-
сталлической решетке.
Эти своеобразные яв-
ления, впервые изученные
при исследовании стекла,
приобрели характерное
Твердое
стекло
название «стекловидного
Жидкое
стекло
[ [ х Температура
Интервалы перехода
Рис. 85. Постепенное изменение агрегатного состояния
стекла.
состояния», которое применяют ко всем веществам, отличающимся
аналогичными свойствами.
Путем соответствующего выбора исходных материалов удалось по-
лучить множество самых разнообразных сортов стекла, каждое из кото-
рых для целей их применения обнаруживает наиболее благоприятные
свойства. Оконное стекло будет иметь другие свойства по сравнению, на-
пример, с оптическим стеклом, которое должно отличаться особенно хо-
178
рошей лучепреломляющей способностью. Стекло, применяемое в лабо-
раториях, должно отличаться особой устойчивостью к действию химиче-
ских реактивов, а стекло с маркой Шотта должно отличаться устойчи-
востью к большим колебаниям температуры, а также значительной
прочностью. Ввиду того что исходное сырье для получения стекла име-
ется в неограниченном количестве, а производство и обработка стекла
Рис. 86. Кристаллы кварца.
уже более не связаны с особыми трудностями, стекло может поступать
в продажу по очень недорогой цене и может заменять многие материалы
и даже завоевывать для себя новые области применения.
Однако что представляет собой стекло и какие исходные материа-
лы необходимы для его изготовления? Стекла представляют собой си-
ликаты, т. е. они всегда содержат элемент кремний в виде кислот-
ного остатка кремниевой кислоты. Несмотря на то, что земная ко-
ра на 25% состоит из химически связанного кремния, химически
чистые соединения кремния встречаются гораздо реже. Из них можно
назвать только двуокись кремния SiO2, которая встречается в очень
чистом состоянии в виде кварца и в виде песка, более или менее сильно
загрязненного примесями. В то время как сама по себе двуокись крем-
ния отличается незначительной реакционной способностью и лишь с
трудом поддается обработке, при действии щелочных веществ, как
12*
179
сода (карбонат натрия МагСОз) или поташ (карбонат калия К2СО3), она
вступает легко с ними во взаимодействие и образует силикаты — соли
кремниевой кислоты:
Na2CO34-SiO2 -> Na2SiO3-{-CO2 f.
При этом сода образует основную, а двуокись кремния — кислую
часть соли силиката натрия NaaSiOs. Эта соль образована нераствори-
мой и, следовательно, чрезвычайно слабой кремниевой кислотой. Си-
ликат натрия известен также под названием растворимого стекла п имеет
тот недостаток, что легко растворяется в воде и уже на воздухе выде-
ляет студнеобразную, содержащую воду и непрозрачную кремние-
вую кислоту. Хотя содержащаяся в воздухе угольная кислота и пред-
ставляет собой очень слабую кислоту, она все же сильнее, чем крем-
ниевая кислота, и вытесняет последнюю из ее соли Na2SiOs. При этом
она становится на ее место, вытесняя кремниевую кислоту в свободном
виде:
Na2SiO3+H2CO3^ Na„CO3+H2SiO3.
При добавлении кальция, например, в виде карбоната кальция (из-
вестняка) СаСОз, образуются смешанные соединения силиката натрия
и кальция, которые представляют собой твердые вещества и называются
стеклом.
Ввиду того что соотношение количеств трех главных составных ча-
стей стекла может иметь весьма разную величину, не имеет смысла при-
водить для стекла точную химическую формулу, тем более, что распо-
ложение ионов в кристаллической решетке стекла не является точно уста-
новленным, и что действительно достоверным можно считать только ко-
личественное соотношение содержащихся в каждом сорте стекла элемен-
тов, но не характер сочетания этих элементов. По этой причине обыкно-
венно и записывают последовательно формулы окислов найденных в
стекле элементов в порядке того количественного соотношения, в каком
они обнаружены в стекле. Оконное стекло будет приблизительно соот-
ветствовать составу 6SiO2 • Na2O • СаО. Чем больше количество до-
бавленной двуокиси кремния, тем кислее будет сплав, между тем как
при добавлении более значительных количеств карбоната натрия и
карбоната калия образуется щелочное стекло. Кислые стекла в большей
мере устойчивы по отношению к действию химических реактивов, чем
щелочные стекла, но они требуют для своего плавления более высокой
температуры, благодаря чему их обработка связана с более значитель-
ными трудностями.
Упомянутое только что натриево-известковое стекло не явля-
ется особенно высококачественным; но зато оно—самое дешевое стекло и
применяется повсеместно в тех случаях, когда требуется бытовое стекло,
например оконное или бутылочное стекло, к которым не приходится
предъявлять особых требований. Заменив натрий калием путем при-
менения для изготовления стекла вместо соды поташа К2СО3,можно по-
лучить кронглас, из которого, между прочим, изготовляют украшения.
180
Наконец, в качестве щелочной основы в стекле могут присутствовать как
натрий, так и калий совместно. В этом случае образуется натриево-кали-
ево-известковое стекло, находящее применение для изготовления лабо-
раторной посуды и приборов. Однако заменены могут быть не только ка-
лий и натрий, но и кальций, например, на свинец. Для этого вместо из-
вестняка к смеси, служащей для изготовления стекла, добавляют окись
свинца. Такие стекла плавятся уже при сравнительно невысокой темпе-
ратуре. Присутствие свинца сильно утяжеляет их и, кроме того, они от-
личаются весьма высокой светопреломляющей способностью. В качестве
свинцового хрустального стекла, или флинтгласа, такое стекло находит
применение для изготовления хрустальных изделий и оптических прибо-
ров. Чем в большей степени кальций будет заменен окисью алюминия
или борной кислотой, тем более ценное стекло получается при такой за-
мене. Особенно широко такая замена производится при изготовлении
йенского посудного стекла. Как можно установить по составу, йенское
стекло содержит очень большие количества кислых составных частей и
потому отличается высокой температурой плавления, но зато оно обна-
руживает в значительной степени и устойчивость к действию химически
активных веществ. В стекле супремакс, отличающемся очень большой
устойчивостью, почти совсем отсутствуют щелочи. Они заменены в пер-
вую очередь окисью алюминия и борной кислотой.
Наряду с этими основными стеклообразующими материалами
стекольной ванны, эта ванна содержит от случая к случаю в пере-
менном количестве и добавки, которые предназначены либо для об-
легчения и улучшения процесса сплавления, либо для устранения
нежелательных окрасок, обусловленных примесью незначительных
загрязняющих веществ в исходном сырье, или же, наоборот, для
придания стеклу определенной желательной окраски. Для осветле-
ния и обесцвечивания стекла с успехом добавляют двуокись марган-
ца МпОг (пиролюзит) или трехокись мышьяка As2O3 (белый мышьяк);
наоборот, окислы металлов сообщают стекольной массе определенную
окраску. Так, например, при добавлении закиси меди С112О образует-
ся кроваво-красное стекло, окись трехвалентного кобальта СО2О3 ок-
рашивает стекло в темно-синий цвет, закись железа FeO — в зеленый
цвет, окись меди СиО — в сине-зеленый цвет и т. д. В роскошный ру-
биново-красный цвет стекло окрашивается при добавлении незначитель-
ного количества чрезвычайно тонко измельченного золота. Для из-
готовления затемненного молочного непрозрачного стекла добавляет-
ся костяная зола, окись цинка ZnO или же фтористый кальций CaF2.
Производство стекла разделяется на несколько стадий. Первоначаль-
ная стадия состоит в подготовке исходных продуктов. В зависимости
от качества стекла и от характера исходных продуктов эти последние
еще должны быть подвергнуты предварительной очистке. Во всяком
случае они должны быть измельчены и перемолоты для облегчения как
перемешивания так и последующего сплавления. В больших шаровых
мельницах, состоящих из барабанов, вращающихся вокруг продольных
181
осей, непрерывно вращаются тяжелые стальные шары, которые ударяют
перемалываемую смесь и измельчают ее в тонкий порошок.
Обратимся теперь к перемешиванию стекольной шихты. Эту опе-
рацию необходимо совершать с крайней тщательностью, ибо от точного
соблюдения правильных соотношений находится в зависимости и каче-
ство выплавляемого затем стекла. Готовая шихта либо тотчас же посту-
пает в стекловаренную печь, либо увлажняется и отжимается в прес-
сах с образованием напоминающих кирпичи кусков, которые облегчают
обращение с шихтой и ее дозировку.
Варка стекла осуществляется в выложенных печах, которые разде-
ляются на два типа— на ванные печи и горшковые печи. Первые выложены
из огнеупорного кирпича. Все их внутреннее пространство почти на
Топочные_
газы
Отверстие___.
для загрузки
стекольной
шихты
Расплавленное стекло
Рис. 87. Ванная стекловаренная печь (схема).
половину их высоты заполняют расплавленной стекломассой. Они
представляют собой, таким образом, большие ванны. С одной стороны
в такую ванну производят засыпку стекольной шихты в том виде, как
она поступает из смесителя. На другом конце находятся небольшие
отверстия, так называемые рабочие отверстия, из которых стекловар от-
бирает пробы жидкой стекломассы. Печь нагревают пламенем горящего
газа, которое проходит по всему внутреннему пространству и соз-
дает высокую температуру, которая необходима для плавления и
образования стекла. Ввиду того что потребление газа на стекловарен-
ном заводе очень велико, он производится обыкновенно в собственных
газогенераторах на самих же стекольных заводах. Ванные печи допу-
скают непрерывное производство: они находятся в действии день и ночь,
и работа приостанавливается лишь тогда, когда печь требует ремонта.
В них производят стекло массового потребления для изготовления посу-
ды, бутылок и оконного стекла.
Иначе дело обстоит с Горшковыми печами. По их внешнему виду
они напоминают собой ванные печи, однако для приема стекломассы
в них служит уже не все их внутреннее пространство. В этих печах
устанавливаются большие горшки из огнеупорной глины, так называе-
182
мые стеклоплавильные горшки. Последние представляют собой толсто-
стенные сосуды, способные вместить 1000 кг и больше стекломассы. Их
изготовляют из свежей, содержащей воду, глины ручным путем, высу-
шивают на воздухе и затем обжигают. В таких стеклоплавильных горш-
ках обыкновенно расплавляют специальные сорта стекла, которые тре-
буются не в слишком больших количествах, но при которых необходима
тщательная обработка стекломассы, как например для изготовления
Рис. 88. Горшковая печь для варки стекла (схема).
оптического стекла. Ввиду того что стекольная шихта полностью на-
ходится в таком стеклоплавильном горшке, в одной и той же Горшко-
вой печи одновременно могут находиться горшки с шихтами неоди-
накового состава, предназначенные для варки различных стекол.
При помощи крана горшки со стекольной шихтой помещают в печь.
Затем печь нагревают, образуется стекломасса, которую время от вре-
мени приходится перемешивать, чтобы избежать образования опти-
чески неравномерных участков и пузырьков воздуха. И здесь можно
достигнуть необходимой для плавления шихты температуры путем
нагревания газовым пламенем. По прошествии нескольких часов горшки
поднимают вместе со стекломассой из печи и стекло подвергают дальней-
шей переработке. Во время процесса плавления протекают реакции,
приводящие к образованию силикатов и далее—к образованию стекла.
Мы уже знаем, что карбонат натрия взаимодействует с двуокисью крем-
ния соответственно уравнению:
Na2CO34-SiO2 —> Na2SiO3+CO2 J•
Для карбоната кальция соответственная реакция выражается
уравнением:
CaCO3+SiO2 -> CaSiO3+CO2 f.
Часто вместо соды применяют для составления шихты более де-
шевый сульфат натрия Na2SO4, так называемую глауберову соль.
В этом случае к шихте добавляют еще угля. Процесс протекает в две
183
О 00 vp О4' О?ВМ % О о4* % СаО 0" ©J <? % в2 03 % других составных частей Свойства и применение
1. Натриево- известковые стекла а) б) 77,0 71,2 15,5 13,2 — 7.4 13,4 1,6 — — Бытовое стек- ло, оконное стекло, буты- лочное стекло и т. д.
2. Калиево- известковые стекла а) б) 67,7 74,4 — 21,0 18,5 9,9 7,2 1,4 0,1 — — Бемское стек- ло, хрустальное стекло, оптиче- ский кронглас, химическая посуда
3. Натриево- калиево- известковые стекла 65,0 13,0 5 10 3 — 4 Химические приборы
4. йенское химическое стекло 74,5 7,7 — 0,8 8,5 4,6 3,9 0,1 Лабораторное стекло
5. Стекло супремакс 56,4 0,6 4,6 4,8 20,1 8,9 8,7 Тугоплавкое стекло
6. Стекло для термомет- ров 67,3 14,0 — 7,0 2,5 7,0
Исходные материалы Кварце- вый песок, кварцит, горный хрусталь Na2 СО3 Na2 SO4 +с 1 КоСО3 KNO3 (се- литра) 1 СаСо3 CaF 2 1 Полевой шпат, каолин, бура, глинозем
184
стадии. Сначала сульфат натрия восстанавливается действием угле-
рода с образованием сульфита натрия и с выделением окиси углерода.
Затем сульфит натрия взаимодействует с двуокисью кремния:
Na2SO4+C -> Na2SO3+CO f
Na2SO3+SiO2 -> Na2SiO3+SO2 J.
По окончании процесса плавления содержимое ванной печи или со-
держимое горшка принимает вид спокойнотекучей, прозрачной массы,
в которой уже нельзя заметить образования каких-либо пузырьков.
Переработка расплавленного стекла производится путем дутья,
вытягивания, прессо-
вания и отливки. Стек-
лодувное искусство име-
ет такую же давность,
как и вообще изготов-
ление расплавленного
стекла. Оно осущест-
вляется при помощи
длинной железной
трубки (стеклодувной),
при помощи которой
стеклодув достает из
печи небольшое коли-
чество расплавленного
стекла. Путем дутья
через противополож-
ный конец трубки он
придает стеклу желае-
мую величину и фор-
му. При производстве
одинаковых предметов
в большом числе поль-
зуются особыми форма-
ми, полости которых
воспроизводят внешний
вид данного предмета,
например реактивной
склянки. Захваченное
трубкой расплавленное
стекло просовывают на
трубке в открытую фор-
му, обе створки этой
формы захлопывают, и
сильным вдув анием
Рис. 89. Средневековая печь для варки стекла.
188
воздуха жидкая стекломасса прижимается к стенкам формы. Открыв
форму, из нее извлекают готовый выдутый предмет, который еще после
этого должен быть очищен от обусловленных стеклодувной работой
отростков. Иногда его приходится подвергать еще и дальнейшей обра-
ботке. Как ни проста на первый взгляд работа стеклодува, если ее
Воздух
Стеклодувная трубка
с порцией стекла
Круглодонная
колба, от к ал ы-
стеклодув-
ной трубки
Рис. 90. Последовательность процессов при производстве колбы рюмки.
выполняет опытный рабочий, все же для ее выполнения необходимо
большое искусство и, кроме того, много упражнения. Это охотно под-
твердит каждый, кто сам попытается выполнить такую работу и увидит
жалкий вид своих первых опытов в этом деле.
1S6
' Расплавленное стекло
Рис. 91. Схема выработки
плоского стекла машиной
Фурко.
Для производства точных массовых предметов из полого стекла удает-
ся применять во все возрастающей степени машины, которые снимают с ра-
бочего тяжелый стеклодувный труд и одновременно позволяют в значитель-
ной степени повысить экономичность их производства. Полностью автома-
тически работающая бутылочная машина Овенса представляет собой чудо
техники и способна на протяжении 24 часов выдуть до 80 000 бутылок.
Толстостенную стеклянную посуду, как например тарелки, миски,
пивные кружки и т. д., формируют путем прессования полутвердой стекло-
массы. И здесь удалось сконструировать машины, работающие вполне ав-
томатически, снимающие с рабочих большую часть работы. Толстые и боль-
шие плиты изготовляют часто путем отливки.
На плоский стол выливают стекломассу, после
чего ее отвал ьцовывают до желаемой толщины.
На оконные стекла стекломассу перерабаты-
вают в большинстве случаев при помощи вытяги-
вающей машины Фурко. Стекломассу вытяги-
вают через сопло, пропускают затем через це-
лую систему нагретых валов, отвальцовываю-
щих ее до желаемой толщины, и, наконец, у
верхнего конца машины появляется листовое
стекло, которое здесь разрезают на большие
куски. И эта машина также допускает непре-
рывное производство.
Всегда необходимо подвергать еще горячие
предметы процессу медленного охлаждения. Если
эта операция будет опущена, то либо эти пред-
меты растрескиваются немедленно, либо в них
устанавливается внутреннее напряжение, и они
впоследствии при малейшем толчке превращают-
ся в осколки. Общеизвестны так называемые
«стеклянные слезки» и «болонские шарики»1.
При их изготовлении жидкую стекломассу по
каплям вливают в холодную воду. Отломив
вытянутую шейку такой слезки, мы увидим, как
в результате значительного внутреннего напряжения вся слезка немед-
ленно разлетится на мелкие осколки.
Подобно тому как стекло не выносит слишком быстрого охлаждения,
весьма неблагоприятное действие на него оказывает и внезапное нагрева-
ние. Это в особенности относится к стеклам с толстыми стенками. Предста-
вим себе кусок стекла, толщина которого на рисунке 93 изображена в силь-
но увеличенном виде. При его быстром, да еще, возможно, и одностороннем
нагревании это стекло будет расширяться. Но ведь его внешние части бу-
дут нагреваться быстрее по сравнению с его внутренними частями. Поэтому
его внешние части и расширяться будут сильнее, как это и по-
1 Обычное название этих образований — «батавские слезки». (Ред.)
187
называют стрелки на этом рисунке. Ввиду того что стекло не отличается
достаточной упругостью и в то же время не обнаруживает соответствую-
щей мягкости, оно при неравномерном расширении претерпит растрескива-
ние. При внезапном охлаждении произойдет то же самое. На поверхности
стекло охладится быстрее и поэтому сильнее сожмется, чем во внутрен-
них его частях. Если же стекло будет охлаждаться медленно, причем про-
должительность охлаждения будет соразмеряться с толщиной стекла, то
разница температуры может и выровняться, стекло сожмется равномерно
Рис. 92. Верхняя площадка машины Фурко.
и не обнаружит описанных недостатков. Разумеется, стекло будет по отно-
шению к колебаниям температуры тем менее чувствительным, чем ме-
нее оно способно расширяться при нагревании на 1°, т. е. чем ниже его
коэффициент расширения. Такие сорта стекла с малым коэффициентом
расширения тоже могут быть изготовлены. Их применяют, между прочим,
при изготовлении шоттовской посуды. Поэтому такая посуда может иметь
большую толщину и, кроме того, она может переносить быстрое нагре-
вание и охлаждение, конечно, в пределах определенных границ.
Как уже было сказано, в настоящее время имеется стремление
изыскать для стекла, как для весьма дешевого материала, все новые
и новые области применения. Это может быть осуществлено, во-первых,
тем, что его свойства удастся изменить путем планомерного изменения
состава стекла. С другой стороны, та же цель может быть достигнута
188
материала с
Рис. 93. Неравномерное расши-
рение толстого стекла при быст-
ром нагревании.
путем развития новых методов переработки стекла. С такими возможно-
стями мы встречаемся при производстве пеностекла и стеклянного во-
локна.
Пеностеклом называют стекломассу, которая пронизана пузырь-
ками газа, не соединенными друг с другом, но разделенными силикат-
ной пленкой. При производстве исходят из твердого стекла. Оно пе-
ремалывается в тонкий порошок и смешивается с материалом, способ-
ным выделять газ, как например с карбонатом кальция. После этого стек-
ло нагревают, причем оно становится тугоподвижным. При этой темпера-
туре, однако, наступает разложение также и
выделением газа. Для нашего карбоната
кальция можно записать следующее уравне-
ние реакции:
СаСО3-> СаО+СО2|.
Выделяющаяся двуокись углерода превра-
щает вязкую стекломассу в пену. Пеностек-
ло значительно отличается от обыкновенного
стекла во многих отношениях. Так, оно в
отличие от обыкновенного стекла легко под-
дается обработке столярными инструментами,
пилой и рубанком. Вследствие наличия в
нем многих газовых пузырьков его удельный
вес значительно ниже единицы. Таким обра-
зом, оно всплывает в воде и при этом не
впитывает в себя воду, ибо отдельные поры
изолированы друг от друга. В качестве легкого строительного материала
с очень хорошими теплоизолирующими и звукопоглощающими свойствами
пеностекло, несомненно, приобретет в будущем выдающееся значение.
То же самое можно сказать и относительно свойств стеклянного
волокна. Под стеклянным волокном следует понимать нити с диаметром,
меньшим чем одна десятая миллиметра. Стеклянные нити, служащие для
изготовления тканей, являются еще значительно более тонкими и имеют
диаметр от 3 до 12 тысячных миллиметра. Для сравнения укажем, что
волос человека имеет диаметр, равный круглым числом 100 тысячным мил-
лиметра.
Изготовление волокон осуществляется чаще всего по методу вытяги-
вания стержня и по методу вытягивания через фильеры. По первому методу
стеклянные стержни нагреваются сбоку. Плавящееся стекло стекает вслед-
ствие своего собственного веса вниз, причем оно вытягивается в тонкую
нить, которая наматывается на барабан. По мере того как стержни пла-
вятся, их передвигают дальше. Таким путем достигается непрерывное
производство.
При методе протягивания через фильеры процесс проводится анало-
гично тому, как он протекает при получении искусственного волокна.
Стекломасса находится в плоской ванне, на дне которой имеется ряд
189
тонких фильер. Вытекающие волокна наматываются совместно на вра-
щающийся барабан и могут затем подвергаться дальнейшей переработке.
Стеклянные волокна не используются поодиночке: для этого они слишком
тонки, но из них прядутся нити, содержащие в зависимости от характера
ткани от 50 до 100 волокон. Такой стеклянный шелк отличается мягко-
стью и гибкостью и уже мало похож на то, что мы обыкновенно себе пред-
Стеклянныи
прут
Рис.94. Выработка стеклянного волок- Рис. 95. Получение стеклянных волокон по
на по методу вытягивания. методу пропускания через мелкие отверстия
(фильеры).
ставляем под именем стекла. Он, правда, не может заменить материал для
пошивки платья: для этого он во-первых, слишком тяжел (удельный вес
2,5) и,во-вторых, он не обнаруживает носкости других тканей и не всасывает
влагу. Однако для технических нужд он именно поэтому и является тем
более ценным. Ввиду того что стеклянное волокно является очень хоро-
шим изолятором электрического тока, его охотно применяют для изоляции
медных проводов. Разумеется, такая стеклянная изоляция является не го-
рючей, как обычно применяемые для этой цели хлопчатобумажные оплет-
ки, так что, например, моторы могут быть нагружены в большей степени
без опасения загорания изоляции. Равным образом ткани из стеклянного
волокна применяют во всех тех случаях, в которых имеют значение по-
190
жароустойчивые ткани, например для изготовления театральных занавесей
и декораций.
История стекла представляет собой одновременно часть истории куль-
туры. Стекло — очень древний продукт: его производство принадлежит к
древнейшим промышленно-техническим достижениям человечества. Нам
известно, что еще 5000 лет тому назад египтяне овладели искусством по-
лучения стекла. Разумеется, они получали стекло не теми методами и не
того качества, как мы получаем его ныне. Сначала удалось получать лишь
кусочки непрозрачного спекшегося стекла, которые в то время применя-
лись в качестве драгоценных украшений. В те времена стекло получали из
сырьевых материалов путем их сплав-
ления на открытом огне, причем
стеклянная шихта первоначально
предварительно сплавлялась в гли-
няных корытообразных чанах, на
древесном топливе. Спекшаяся «фрит-
та», которая при этом получалась,
затем переплавлялась в таких же, но
лежащих глубже корытах до образо-
вания стекла.
Не случайно, что именно египтя-
не уже давно получили стекло. Еги-
пет в те времена был страной, кото-
Рис. 96. Стеклянная ткань (при сильном
увеличении).
рая в культурном, научном и техни-
ческом отношениях уже стояла на
очень высокой ступени развития.
Достаточно напомнить хотя бы только о математических познаниях
египтян, о применении папируса и о сооружении пирамид. К тому же сле-
дует добавить, что в Египте существовали важнейшие исходные продукты,
необходимые для получения стекла. Песок и известняк встречаются там
почти повсеместно. Однако гораздо реже в то время имелась безусловно
необходимая для производства стекла сода. Соду добывали в то время из
содовых озер Египта, на берегах которых она выкристаллизовывалась
естественно. После покорения Египта римлянами последние заимство-
вали у египтян также и искусство производства и переработки стекла.
Уже в то время было известно стеклодувное искусство и искусство изго-
товления из стекла простой посуды. Римляне перенесли эти достижения
далее в Галлию и Германию. Уже в I веке нашей эры производство стекла
получило развитие в старых римских городах Кельне, Триере и Вормсе.
Центром европейской промышленности стекла в течение всего периода
средних веков оставалась Италия. Венецианское зеркальное и хрустальное
стекло принадлежало к величайшим драгоценностям. То же можно сказать
и относительно малых, обрамленных в свинец оконных стеклах, которыми
были снабжены окна богатых граждан. Миниатюрные окна в средневеко-
вых домах делались столь малыми не потому, что обитатели этих домов
избегали света и солнца, но потому, что никто не умел одновременно с
191
обильным доступом воздуха и лучей солнца предохранять свои жилища от
холода и дождя. Ибо стекло, которое сделало бы это возможным, было
дорого и доступно лишь немногим даже и тогда, когда постепенно удалось
более рационально организовать его производство. Открытые пламенные
очаги должны были уступить место закрытым, выложенным из кирпича
плавильным горнам, в которых могла быть достигнута более высокая тем-
пература. Благодаря этому улучшалось в свою очередь и качество изготов-
ляемого стекла. Стеклодувная трубка также была известна уже издавна,
и техника переработки стекла совершенствовалась все более и более.
Рис. 97. Выплавка стекла в древнем Египте.
Рис. 97а. Стеклодувы IX столетия.
Около 150 лет назад стекло производилось лишь в некоторых мест-
ностях; его получение было связано с постоянными установившимися
местами. В средней Европе главными областями стекольной промышлен-
ности являлись да и поныне являются Тюринген, Шварцвальд, Богемский
лес. Это не случайно. Во-первых, эти богатые лесом гористые области
непригодны для земледелия, и их обитатели уже давно должны были
обратиться к ремесленной и производственной деятельности. С другой
стороны, леса этих районов доставляли топливо для плавильных печей
стекольного производства, а также поташ, который применяется при
192
получении стекольной шихты вместо соды. Поташ прежде добывался из
древесной золы, в которой он содержится. Путем прокаливания в боль-
ших железных горшках «поттах» его получали в виде беловатой и еще
довольно сильно загрязненной соли. В более бедных лесом областях не
могла поэтому развиваться стекольная промышленность. Однако, когда
около 1790 года удалось в больших количествах получить соду фабрич-
ным путем (до того приходилось ограничиваться применением естествен-
ной соды), стекольная промышленность стала более независимой от места
добычи сырья. Кроме того, она уже не находилась в зависимости исклю-
чительно от древесного топлива. Ввиду того что каменный уголь достав-
ляет более значительное количество тепла сравнительно с дровами и в
связи с тем, что из угля может производиться также и газообразное
топливо, часть производства стекла массового употребления перемести-
лась в богатые углем области, в которых в результате индустриализа-
ции имелся налицо и благоприятный рынок сбыта. Так, в настоящее время
сильно развитая стекольная промышленность имеется в Рурской области
и близ месторождений бурого угля в Германии. Достаточно упомянуть
хотя бы Вейсвассер —метрополию Лаузицкой стекольной промышленности.
Один вопрос мы пока оставили без рассмотрения. Очень важным ис-
ходным полупродуктом для получения стекла является сода. Мы познако-
мились с ее незначительными природными месторождениями, правда, сы-
гравшими при рождении искусства получения стекла существенную роль.
Однако в настоящее время они ни в какой мере не покрывают потребности
в соде для современной стекольной промышленности.
Но мы уже указывали на то, что начиная с 1790 года было положено
начало фабрично-заводскому производству соды. Как же это произошло?
СОДА
В один из холодных и туманных январских вечеров 1806 года мосье
Пато, директор убежища для бедных Сен-Дени, поблизости от Парижа,
вошел в свой рабочий кабинет. Много огорчений было у него в этот день.
Медленно зажег мосье Пато лампу, преследуемый непрерывно угнетавшей
его мыслью. Сегодня у него в руководимом им убежище было больше вол-
нений, чем обыкновенно. Утром в столовой не оказалось призреваемого
мосье Леблана. Когда пропавшего стали разыскивать и, наконец, взломали
дверь его спальной комнаты, то Леблана нашли распростертым на полу.
Зияющая рана в его груди и нож, выскользнувший из окоченевшей руки,
достаточно ясно определили причину его смерти.
Мосье Пато развернул толстый журнал учреждения и дрожащей ру-
кой записал в него, что в сей день, 16 января 1806 года, призреваемый
убежища для бедных Сен-Дени Николай Леблан покончил жизнь самоубий-
ством, нанеся себе удар в сердце ножом. Причина неизвестна. «Боже, будь
милостив к грешнику»,— добавил он к своей записи, хотя такое добавле-
ние могло и не входить в его служебные обязанности.
13 3. Шпаусус
193
Да, здесь, в этом убежище для бедных, у него имелась возможность
знакомиться с судьбами людей, похожими на судьбу уже погибшего Леб-
лана. Здесь собрались люди, выброшенные из общества, не нашедшие себе
места в обществе, не имевшие в престарелом возрасте близких, которые мог-
ли бы оказать им помощь. Или же это были люди, которых удар судьбы
превратил в нищих, которые часто, не осмысливая своего горя, влачили
в течение своих последних лет существование в этом несчастном доме.
Так это произошло и с Лебланом. Директор знал его еще раньше. Не-
сколько лет тому назад Леблан был уважаемым членом общества, руково-
дившим в загородном предместье фабрикой, производившей соду или что-
то химическое в этом роде. Однако в буре великих потрясений дело всей
жизни этого человека оказалось разрушенным. Каким образом оно погиб-
ло, этого мосье Пато не знал, но знал только, что с некоторого времени
Леблан попал к нему в убежище для бедных, где он должен был прожи-
вать, что и делал до сегодняшнего дня.
Таков был последний этап жизни и деятельности человека, который
открытым им методом производства соды из поваренной соли оказал вели-
кую услугу не только химии, но и своему отечеству. Более того, он в зна-
чительной степени повлиял на развитие промышленности всего мира. Че-
рез пятьдесят лет имя его было удостоено величайшего почета, и в
1887 году в честь его была воздвигнута бронзовая статуя.
В конце XVIII века недостаток соды становился все острее и острее,
а от обеспеченности содой зависело развитие производства целого ряда
важных отраслей промышленности. Она необходима для мойки и краше-
ния шерсти и хлопка, а как раз к этому времени имелись налицо все дру-
гие предпосылки для мощного расцвета текстильной промышленности.
Все возраставшая потребность в стекле также предъявляла требования к
получению соды, которая вместе с известью и песком образует главные
составные части стекольной шихты. Для производства мыла также была
необходима сода. До того времени сода доставлялась главным образом из
Испании. Там она добывалась из золы морских водорослей в виде сильно
загрязненной соли.
Однако вскоре эти примитивные и зависимые от природного сырья
методы получения соды уже больше не могли удовлетворить потребности
в ней. Спрос на соду возрастал стремительно и значительно превысил пред-
ложение. Единственными поставщиками при этих условиях оказались за-
нимавшиеся содовым промыслом испанские крестьяне. Они были моно-
польными поставщиками соды и имели возможность произвольно повы-
шать на нее цену.
Часто вместо соды применялся похожий на нее по составу поташ, ко-
торым можно было пользоваться, например, при производстве стекла и
мыла. Его добывали из древесной золы; при выщелачивании и прокалива-
нии в железных горшках («поттах») он получался в получистом состоянии.
И здесь метод его получения был очень примитивным, зависящим от древе-
сины, применявшейся в качестве исходного материала. Без сожаления ру-
бились и превращались в золу деревья и кустарники. Из этой золы и из-
194
влекался поташ. Ценная древесина уничтожалась в больших количествах.
Это продолжалось в течение долгого времени. Однако рубка лесных де-
лянок скоро подпала в некоторых странах по тем или другим основаниям
под предусмотрительное ограничение. Можно было вычислить, когда бу-
дет срублено последнее дерево, и что же делать тогда?
В свете этих фактов Французская Академия наук в Париже в 1775 го-
ду объявила конкурс для всех граждан на премию по решению задачи
получения соды из дешевой и повсеместно доступной поваренной соли.
Вознаграждение было определено в 12 000 ливров.
Не случайно пришли к тому, чтобы избрать в качестве исходного
вещества поваренную соль. Во-первых, она представляет собой самую
дешевую соль натрия (ибо из натриевой соли естественно и необходимо
исходить при получении соды), во-вторых, она встречается в природе в
неограниченном количестве, и, в-третьих, из нее уже удалось получить
в лаборатории соду, правда, лишь с весьма незначительным выходом, не
оправдывающим его технического применения.
В разрешении задачи по объявленному конкурсу принял участие и
лейб-медик герцога Орлеанского Николай Леблан. Вместе со своим асси-
стентом, химиком Дизе, он работал в одной парижской лаборатории. Годы
протекали. Наконец, в 1790 году удалось получить соду из поваренной
соли с удовлетворительным выходом. Метод подвергся в академии испы-
танию и получил признание. Леблана признали автором открытия метода,
названного его именем, причем ассистент Дизе, выполнивший решающую
часть разработки метода, остался обойденным. Герцог Орлеанский, ко-
торый с самого начала был заинтересован данным методом, выделил де-
нежные суммы, и в Сен-Дени было построено современное для того времени
фабричное предприятие, которое находилось под руководством Леблана и
Дизе и скоро начало производить 300 кг соды в сутки.
Для Леблана, по-видимому, все проходит, как он этого хотел. Однако
такое благополучие продолжается лишь до 1793 года. Сын герцога Орле-
анского, получивший командную должность в революционной армии, ока-
зался осенью 1793 года вместе со своей частью перебежчиком и бежал к
австрийцам. Отца привлекают к ответственности и после короткого процес-
са он сам был вынужден сложить свою голову на гильотине. Его имущество
конфискуется, а вместе с ним и содовый завод, действие которого приоста-
навливают, несмотря на то что Франция в это время ежегодно ввозила со-
ды на 30 миллионов франков и несмотря на то что содовый завод в Сен-Дени
уже был построен и что он в значительной степени заставил испанских ку-
старей понизить установленную ими цену на соду. Леблан должен был во
исполнение этих поспешных решений оставить завод, и производство после
этого было прекращено. При этом, однако, соответствующие инстанции
хорошо отдавали себе отчет в значении работы Леблана, ибо еще за не-
сколько недель до этого Комитет общественного спасения обратился к нему
и к его сотрудникам с призывом предоставить свой метод на благо Франции
в распоряжение отечества. Власти очень скоро поняли, что Леблан не имел
ничего общего со всеми упомянутыми выше обстоятельствами, и вернули
13*
195
ему обратно завод, представлявший собой уже лишь пустые здания. Леб-
лану было обещано возмещение убытков, но дело только и ограничилось
обещаниями. Лишенный финансовых средств и запасов сырья, Леблан уже
не был в состоянии возобновить производство. Ему оставалась только одна
дорога — в богадельню.
Как же это оказалось возможным превратить поваренную соль в со-
ду? Послушаем, что нам на этот вопрос ответит сам Леблан и приведем
цитату из его патентной заявки.
«Поваренную соль разлагают по методу Глаубера, т. е. действием сер-
ной кислоты. Однако предварительно необходимо выбрать достаточно
объемистую аппаратуру, чтобы иметь возможность работать с боль-
шими количествами. Для разложения поваренной соли приходится
применять почти равное ей по весу количество концентрированной серной
кислоты.
Для того чтобы получить лучший выход соляной кислоты, необходимо
ее превратить в нашатырь. Для этой цели следует пропускать хлор
(здесь имелся в виду хлористый водород) в аммиачную воду. То количе-
ство глауберовой соли, которое образуется при этой реакции, должно быть
затем подвергнуто нагреванию сильным огнем, чтобы эта соль совершенно
была освобождена от присутствия кислоты. Затем ее следует измельчить
в порошок следующим образом. Добавляют определенное количество глау-
беровой соли к половине по ее весу известняка или мела и к четверти по
ее весу порошкообразного угля; все это измельчают ц хорошо перемеши-
вают. Смесью наполняют тигель, который не закрывают совсем, но остав-
ляют в нем отверстия. Скоро образуется значительное количество воспла-
меняющегося вещества, которое при соответствующей температуре начи-
нает гореть. После того как в течение некоторого времени будет поддер-
жана определенная температура, смесь постепенно доводят до плавления
так, чтобы получилась кашеобразная масса. После этого можно убедиться,
что смесь, превратившаяся в сырую соду, может быть удалена из тигля.
Эту соду можно выщелочить или очистить, перетирая ее в порошок и в
течение достаточного времени вываривая в воде...»
Вначале, следовательно, проводилась реакция между поваренной
солью и серной кислотой, каковая реакция была известна уже давно и при
которой образуется сульфат натрия (называемый также глауберовой
солью) и хлористый водород:
2NaCl+H2SO4 -> Na2SO4+2HCl.
Этот хлористый водород нельзя выпускать в воздух, ибо он вследствие
своей ядовитости погубил бы в широких пределах всю растительность во-
круг предприятия. Его необходимо либо пропускать в воду и получать
таким образом соляную кислоту, которую затем можно продавать, либо его
можно превращать в твердый нашатырь — хлористый аммоний, как это
уже и было предложено Лебланом:
HC1+NH4OH -> NH4C1+H2O.
196
Сульфат натрия восстанавливают углеродом в больших тиглях до сер-
нистого натрия Na2S, который тотчас же вступает во взаимодействие с из-
вестняком СаСО3:
Na2SO4+3C -> Na2S+2CO+CO2
Na2S+CaCO3 -> Na2CO3-{-CaS.
To, что Леблан называет горючим газом, представляет собой окись угле-
рода, которая образуется одновременно и далее на воздухе сгорает с об-
разованием двуокиси углерода СО2. Сернистый кальций CaS в течение
долгого времени представлял собой очень неприятный побочный продукт,
ибо он не мог быть ни для чего использован и образовывал целые кучи.
Долго оставлять его лежать было тоже невозможно: взаимодействуя с со-
держащимися в воздухе водой и двуокисью углерода, он медленно образо-
вывал сероводород, отвратительно пахнущий и ядовитый газ, в одинаковой
мере невыносимый для человека и для растений. В Англии впоследствии
строили суда, которые загружали сернистым кальцием и затем топили его
в море. Таким образом удавалось избавиться, правда, очень дорогим, но
надежным способом от этого неприятного отброса производства. Лишь зна-
чительно позднее удалось добывать из сернистого кальция сероводород
в соответствии с уравнением:
CaS+H2O-{-CO2 -> CaCO3+H2S.
Сероводород затем сжигался с образованием двуокиси серы, из кото-
рой можно было получить крайне необходимую серную кислоту.
В Англии, стране с наиболее высокоразвитой промышленностью, воз-
никли первые заводы, работавшие по методу Леблана и скоро обеспечившие
в достаточной степени промышленность содой. За Англией последовала
Германия и затем Франция, страна, которая впервые поставила на очередь
задачу промышленного получения соды и впервые успешно разрешила ее.
Этот новый метод рационального получения столь необходимого
для многих целей полуфабриката, каким является сода, привел к перево-
роту в развитии отраслей промышленности и народного хозяйства многих
стран и, наконец, вообще в жизни человеческого общества. Первым потре-
бителем соды является текстильная промышленность. Она была избав-
лена благодаря соде от больших затруднений. При этом был найден спо-
соб получения из побочного продукта содового производства — соляной
кислоты ценного продукта — хлорной извести, необходимой для отбел-
ки тканей. Этот продукт стали получать к тому же за половинную цену по
сравнению с прежней ценой.
Второй главной отраслью промышленности, потребляющей соду, яв-
ляется стекловарение. В настоящее время возможно не только производить
большие количества стекла, но качество и цена его стали много дешевле.
Прежде застекленные окна были предметом роскоши, и во Франции по-
этому оконные стекла облагались налогом. Результатом этого и явились те
миниатюрные окошечки, которые еще и ныне можно видеть в старых домах,
197
в темных заплесневелых нездоровых комнатах. В них туберкулез и золо-
туха находили наилучшие условия для своего развития.
То же самое можно сказать и относительно мыловарения. Еще в сред-
ние века мыло считалось роскошью и облагалось налогом. Поэтому белье
повсюду стирали при помощи поташа. Благодаря получению дешевой соды
стало возможным обеспечить мыловара дешевым едким натром, а это в
свою очередь вызвало резкое понижение цены на мыло. После этого уход
за телом и чистоплотность стали общепризнанным требованием, и число
инфекционных заболеваний уменьшилось.
Однако, как ни прочно внедрился в конце концов метод Леблана в
промышленность, все же ему появился конкурент, который в дальнейшем
вызвал переворот в содовой промышленности, ибо он сумел заменить хо-
рошее на несколько лучшее. В 1870 году содовая промышленность по ме-
тоду Леблана достигла своего наивысшего развития. В лице бельгийца
Эрнеста Сольвея на арену промышленности выступил инженер,
который своим новым методом, основанным на получении соды из поварен-
ной соли и аммиака, начал вытеснять утвердившийся метод Леблана и,
наконец, одержал в этом отношении полную победу.
Сольвей родился 16 апреля 1838 года в небольшом городке поблизо-
сти от Брюсселя. Еще будучи молодым человеком, он познакомился со свой-
ствами аммиака, ибо один из его дядюшек владел небольшим газовым за-
водом и поставил перед своим племянником задачу использования боль-
ших количеств аммиачной воды, получавшейся в виде отходов на его за-
воде. Уже тогда было известно, что аммиак и угольная кислота вступают
во взаимодействие с образованием соли, которая с раствором поваренной
соли образует труднорастворимую соль — бикарбонат натрия NaHCO3.
При нагревании бикарбоната последний разлагается с образованием соды
и угольной кислоты. Сольвей тоже стал производить опыты в этой области
и пришел к заключению, что из этих реакций можно получить полезные
практические выводы. Он решил вместе со своим братом и родственни-
ками, которые ссудили его необходимыми деньгами, организовать на этой
основе производство соды. Трудности, которые вскоре появились на его
пути, были огромны. Сольвей со своим методом вступил в борьбу с мощ-
ной содовой промышленностью, имевшей в основе метод Леблана, которая
без риска могла работать по старым и оправдавшим себя прописям. Его
счастьем было то обстоятельство, что первоначально с этой стороны никто
не принял всерьез его идеи и не увидел опасности в его первых опытах. Где
же он сумеет найти те громадные количества аммиака, которые никогда не
смогут быть доставлены немногими газовыми заводами в том количестве,
которое необходимо для организации производства соды по новому
способу в большом масштабе? Для скромных опытов эти количества,
пожалуй, могли оказаться достаточными, но не больше. Однако одно
обстоятельство было скоро замечено Сольвеем. Метод может стать рента-
бельным с того момента, когда, во-первых, удастся обратно регенерировать
уже использованный аммиак, и, во-вторых, все реакции производить в за-
крытых сосудах, чтобы полностью предотвратить потери того дорогого ис-
198
ходного материала, каким являлся в его методе аммиак. В этом-то и заклю-
чалась та большая трудность, от которой Сольвей едва не потерпел фиаско.
Аммиак является весьма летучим газом, который отличается способ-
ностью непрерывно проникать через самые тончайшие поры и промежутки,
имеющиеся в заключающих его котлах и трубах. Но в конце концов Соль-
вей преодолел и эти трудности. Кроме того, повсеместно сооружалось все
большее и большее число газовых заводов. К тому же скоро было признано
значение каменноугольной смолы: каменный уголь во все большем коли-
честве подвергался перегонке и, таким образом, на рынок поступали все
большие и большие количества дешевого аммиака, представлявшего собой
побочный продукт.
Наконец, получение соды по методу Сольвея достигло такого разви-
тия, что Сольвей мог производить уже значительные количества соды.
Первые цифры, характеризующие производство, звучат, однако, еще
весьма скромно. В 1867 году выход соды достигал 300 килограммов в день.
Однако теперь новый метод был окончательно проработан, каждый год
стал приносить Сольвею новые победы, и только незначительные количе-
ства соды еще продолжали производиться по методу Леблана.
Главным исходным материалом при получении соды по методу Соль-
вея опять-таки является поваренная соль, ибо другие вещества, как мы
увидим, в значительной степени регенерируются обратно и снова возвра-
щаются в производственный процесс. Таким образом, мы встретим содовые
заводы везде в тех местах, где имеется поваренная соль. При этом вовсе
нет необходимости, чтобы эта соль добывалась в твердом виде. В большин-
стве случаев можно накачивать по железным трубам воду в те места, где
имеются отложения соли. Внизу соль растворяется и засасывается по вто-
рой трубе обратно кверху в виде соляного раствора. Этот раствор насы-
щается аммиаком под давлением. Выделяющиеся при этом нераствори-
мые соединения могут быть отделены от раствора.
Сама реакция протекает в больших чанах, так называемых карбона-
торах, в которые нагнетается углекислый газ. При этом образуется трудно-
растворимая соль — бикарбонат натрия NaHCO3, который отделяют от
маточного раствора путем фильтрования. Образование бикарбоната нат-
рия протекает в две стадии, причем первоначально образуется бикарбо-
нат аммония, который затем уже вступает в реакцию с поваренной
солью:
NH34-H2O4-CO2-> NH4HCO3
NH4HCO3 + NaCl NaHCO3+NH4CL
При нагревании бикарбоната натрия угольная кислота отщепляется
в виде воды и двуокиси углерода и остается сода. При этом половина
примененной первоначально двуокиси углерода может быть выделена
обратно и снова введена в производственный процесс:
2NaHCO3~№аСО3+НяО4-СО2.
199
С02
[Сода]
Рис. 98. Схема содового процесса по Сольвею.
^Газообразный аммиак
чистый раствору аммиака, насыщен
Nace
Смешение
Са(ОН)2
с маточным
раствором
при 58 0с
Выпадение
ЫаНСОз
6 карбонаторе
Отфильтро-
вывание
NaHC03
Маточный
раствор
сын4се и
NH4HCO3
Нагребание
NaMCO3
Безводная сода поступает в продажу в виде так называемой кальци-
нированной соды, а кристаллическая сода получается при перекристал-
лизации; она содержит в непрочно связанном виде на каждую молеку-
лу карбоната натрия по 10 молекул так называемой кристаллизационной
200
воды. Формулой это можно выразить так: число молекул воды приписы-
вают к формуле соединения и отделяют обе формулы точкой:
Na2CO3-10Н2О.
В маточный раствор, содержащий хлористый аммоний и ещенераз-
ложившийся бикарбонат аммония, нагнетается сначала аммиак. При
этом образуется нейтральный карбонат аммония:
NH4HCO3+NH3 -> (NH4)2 со3.
Карбонат натрия уже при 58° распадается:
58 °
(NH4)2CO3-^2NH3+CO2+H2O.
Аммиак, содержавшийся еще в маточном растворе в виде хлористого
аммония, вытесняется теперь действием гашеной извести или известко-
вого молока:
2NH4Cl+Ca(OH)2^2NH3+2H2O+CaCl2.
Эта реакция основана на том, что летучий аммиак вытесняется из свое-
го соединения действием известкового молока. Таким путем весь аммиак
регенерируется обратно, его достаточно добавлять лишь в таком количест-
ве, какое составляют неизбежные потери при производственном процессе.
Единственным побочным продуктом производства является хлористый
кальций, который можно получить при выпаривании в виде твердой соли
или же спустить в виде водного раствора в сточные воды.’
Как видим, мы здесь имеем дело с процессом, который может быть
проведен с большим хозяйственным эффектом, ибо в него должны быть вве-
дены только те материалы, которые участвуют непосредственно в построе-
нии молекул соды, т. е. хлористый натрий и двуокись углерода. Оба эти
вещества очень дешевы. К тому же следует добавить, что получаемая сода
очень чиста и что в производстве уже не образуется нежелательных по-
бочных продуктов, если не считать одного только хлористого кальция.
Кроме того, при получении соды по методу Сольвея отпадают требую-
щиеся при способе Леблана процессы плавления, благодаря чему удается
сэкономить много тепловой энергии и уменьшить другие расходы.
На конгрессе в 1903 году Сольвей не только имел возможность доло-
жить, что производство соды достигло 1 760 000 тонн и что 1 616 000 тонн
из этого количества производится по его способу, но одновременно сооб-
щил, что из этого последнего количества 1 миллион тонн производится на
предприятиях концерна Сольвея; производство же остальных 600 000 тонн
падает на английскую компанию, тесно связанную с концерном Сольвея.
Итак, что же произошло? В 1867 году Сольвей производил на своем
небольшом заводе в Куийе не более 300 килограммов соды в день. Че-
рез 35 лет он практически стал главой всей содовой промышленности мира.
Сольвей всегда ставил перед собой задачу выйти за пределы своего неболь-
шого отечества — Бельгии. Еще до того как его метод стал известен повсе-
201
местно и утвердился окончательно, он изучал по географическим картам
месторождения каменной соли в разных странах. Он не был сторонником
громкой рекламы и большого шума. В полной тиши он скупал акции, при-
обретая месторождения каменной соли, строил заводы, не выставляя свое-
го имени в большей мере, чем это было необходимо. В каждой стране орга-
низовывались синдикаты, в которые в конце концов должны были всту-
пать все прочие фабриканты соды, если они не хотели быть подавлены
неравной борьбой и конкуренцией. Во главе содового производства стал
Эрнест Сольвей, который благодаря соединению капиталов, акций и до-
говоров держал все предприятия в своих руках. Его влияние на экономику
отдельных стран было очень велико.
В то время как первая мировая война означала переворот и новый пе-
редел всего мира, и государства аннулировали после нее заключенные ими
договоры и стали заключать новые, концерн Сольвея остался неприкос-
новенным. Ничего в этом отношении не изменилось и во время второй ми-
ровой войны. Предприятия концерна производили соду по обе стороны
фронта. При этом для концерна Сольвея не существовало ни врагов, ни
друзей, ни победителей, ни побежденных. Для него существовала только
возможность и тут и там захватывать барыши.
Мы познакомились с содой как краеугольным камнем промышлен-
ной жизни. Без соды нет стекла, нет мыла, нет моющих средств. Когда
после войны в одной отдаленной части Европы было построено социали-
стическое хозяйство, концерн Сольвея, казалось, сможет оказать чувстви-
тельную помеху этому строительству. И этот шанс действительно был ис-
пользован, однако лишь в течение непродолжительного времени. В то вре-
мя как для концерна Сольвея после 1945 года в западных странах не
произошло существенных перемен, в странах народной демократии име-
ющиеся в них предприятия вышли из связи с концерном и перешли в
собственность народов. Так случилось и в Германской Демократической
Республике с содовыми заводами в Вернбурге на Заале, где произво-
дится преобладающая часть столь важной для нашего хозяйства соды.
Одновременно на примере этого предприятия мы можем сделать еще
и другой вывод, а именно, что завод не случайно был построен именно в
Вернбурге, но что целый ряд факторов сыграл решающую роль для
строительства завода именно в этом месте. Ввиду того что предприятие
построено на мощных среднегерманских соляных месторождениях, снаб-
жение его этим важнейшим исходным материалом можно считать обеспе-
ченным. Находящиеся в непосредственной близости известковые карье-
ры доставляют при их обжиге необходимую для производства двуокись
углерода и известь, требующуюся для переведения хлористого аммония
в аммиак. Не требуется значительных затрат и на транспорт применяе-
мого для производства соды аммиака, ибо этот последний может быть до-
ставлен из находящихся в непосредственной близости заводов Лейна.
Если расход топлива при получении соды по методу Сольвея оказывается
меньшим, чем на ее получение по методу Леблана, то все же для обжига из-
вестняка, для нагревания бикарбоната натрия и для общего снабжения
202
энергией всего предприятия требуется уголь. Этот уголь может быть до-
ставлен из находящихся в непосредственной близости среднегерманских
месторождений бурого угля. И, наконец, река Заале доставляет требую-
щуюся воду, и в нее же спускаются сточные воды предприятия.
На этом примере мы видим редкий случай, когда все местные усло-
вия, имеющие значение для производства соды, наиблагоприятнейшим об-
разом сочетаются в Вернбурге и дают возможность избежать ненужных
транспортных расходов. А это обстоятельство и явилось особенно важным
для постройки на данном месте химического предприятия.
БОЛЬШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИСУТСТВИЯ МАЛЫХ
КОЛИЧЕСТВ ВЕЩЕСТВА
Не встречался ли у вас в жизни такой случай, когда вы, будучи при-
глашены в гости или принимая гостей у себя, замечали, что после всех
общих игр, затеянных в собравшейся компании, разговор вдруг утих
и не может никак больше возобновиться, а присутствующие все чаще
подносят руку к зевающему рту. С другой стороны, никто как будто не
собирается отправляться домой. В такой момент вы могли бы вновь вер-
нуть немного оживления в общее настроение утомленных гостей. Для
этого вам достаточно с ленивой миной достать из сахарницы один кусо-
чек сахару и предложить пари на 10 марок, которые достанутся тому,
«кто сумеет зажечь этот кусок при помощи обыкновенной спички». Те,
кто первоначально попробуют выполнить вашу задачу, примут ее за
дурную шутку, но, поворчав, все же достанут спичку и попробуют испы-
тать в этом отношении свое счастье. Другие, настроенные более жизне-
радостно, начнут уже обдумывать, на что им израсходовать так легко вы-
игранные ими по этому пари деньги. Однако триумф окажется на вашей
стороне, ибо все попытки зажечь спичкой сахар, как бы искусно они ни
были обдуманы, окажутся безрезультатными, разве только некоторые
при этих попытках обожгут себе пальцы. Сахар будет плавиться, его
капли будут падать на крышку стола, в крайнем случае он обуглится, но
гореть не будет. После того как все добросовестно потрудятся над разре-
шением предложенной задачи, вы приступите сами к ее решению. Вы по-
требуете полного спокойствия, нанесете на сахар немного пепла от папи-
росы, слегка разотрете этот пепел на поверхности куска сахара и после
этого с необыкновенной легкостью вы сумеете зажечь спичкой сахар. Об-
щее удивление будет очень велико.
Почему же до этого не удавалось зажечь кусок сахару? Довольно было
добавить ничтожнейшее количество табачного пепла, чтобы вызвать тече-
ние реакции горения, ускорить эту реакцию. Не впадая в противоречие,
мы сможем утверждать, что при таком горении табачный пепел не подвер-
гался изменению, ибо он сам представляет собой последний остаток осу-
ществившегося горения табака. Мы имеем дело, таким образом, с вещест-
вом, которое, присутствуя в ничтожном количестве, делает возможным
203
или по крайней мере ускоряет течение реакции и при этом само не изменя-
ется и сохраняется в конце реакции в том же качестве и в том же коли-
честве, в каком оно присутствовало и в начале реакции. Такое вещество,
которое на первый взгляд оказывает действие на химический процесс од-
ним только своим присутствием1, мы будем называть катализатором, а са-
мый процесс — катализом. Это название происходит от греческого слова
«каталюо», что значит — развязываю.
Возьмем другой пример. Перекись водорода Н2О2 в концентриро-
ванном виде, вообще говоря, является довольно устойчивым соединением.
Если мы нальем немного этой жидкости в пробирку, то не произойдет ни-
чего особенного. Однако дело изменится, если мы добавим в пробирку не-
много двуокиси марганца (пиролюзит, МпО2). Как только двуокись мар-
ганца придет в соприкоснове-
ние с перекисью водорода, на-
ступит разложение последней,
которое под влиянием выделяю-
щейся при этом теплоты реак-
ции скоро будет протекать весь-
ма бурно:
2Н2О2 2H2O-j-O2-|-теплота.
Если первоначально было
прибавлено ровно 0,2 г катали-
затора (двуокиси марганца), то
и после разложения перекиси
водорода мы обнаружим ровно
0,2 г двуокиси марганца. Таким
образом, и в этом случае мы
будем иметь дело с катализом,
ибо двуокись марганца прояв-
ляет свое действие, будучи до-
бавлена в небольшом количест-
ве, и при реакции не расходует-
ся, но значительно повышает
скорость разложения перекиси
водорода.
Ввиду того что катализатор, по-видимому, не вступает в реакцию
и уж во всяком случае сохраняется в конце реакции в первоначальном ви-
де, он и не фигурирует в уравнении реакции. Уже раньше нами было
указано, что химические уравнения, несмотря на многие свои преиму-
щества, могут также иметь и недостатки. В данном случае мы имеем под-
тверждение сказанного. Выписанное выше уравнение выражает только
возможность разложения перекиси водорода по заданной схеме, однако
1 См. ниже, страницу 207, где автор правильно объясняет сущность явлений ката-
лиза. (Ред.)
204
Рис 99. Каталитическое действие двуокиси мар-
ганца при разложении перекиси водорода.
Рис. 100. И. В. Дёберейнер (1780—1849).
в этом уравнении ничего не говорится относительно условий, необходи-
мых для течения этого процесса. Если эти условия имеют существенное
значение и если мы хотим подчеркнуть это обстоятельство, то обыкновен-
но мы обозначаем эти условия надписью над стрелкой, указывающей на-
правление течения реакции. В данном случае уравнение приобретет сле-
дующий вид:
2Н2О2 2Н2О+О2 4-теплота.
Ввиду того что катализатор
во время реакции не расходует-
ся, мы могли бы принципиаль-
но, при помощи незначительно-
го его количества, скажем при
помощи 0,2 г двуокиси марган-
ца, вызвать реакцию неограни-
ченных количеств вещества, в
нашем примере — перекиси во-
дорода. С теоретической точки
зрения этот вывод является не-
оспоримым, однако на практике
оказывается, что катализатор
все же постепенно расходуется
благодаря течению не поддаю-
щихся контролю побочных реак-
ций, или же что самые ничтож-
ные количества посторонних ве-
ществ, содержащихся в виде
загрязняющих примесей в реа-
гирующих веществах, могут,
наконец, сделать катализатор
недействительным, «отравить»
его. И все же очень тонко из-
мельченная платина, так называемая коллоидная платина, способна раз-
ложить количество перекиси водорода, во много миллионов раз превы-
шающее собственный вес катализатора. Каталитическое разложение крас-
ных кровяных шариков действием ионов серебра может быть отмечено
еще при концентрации 1 : 1000 миллиардов.
Первое знакомство с катализаторами восходит еще ко второй полови-
не XVIII века. Большое впечатление произвело открытие Вольфган-
га Дёберейнер а, установившего в 1823 году, что при направлении
струи водорода на губчатую платину, представляющую собой мелко раз-
дробленный металл, водород загорается, и что для его воспламенения не
требуется никакого подведения энергии. Однако в то время из этого от-
крытия не было сделано никакого практического вывода и его рассматри-
вали скорее в качестве забавного опыта. Дёберейнер сконструировал свое-
го рода «огниво». В нем при открывании крана в соприкосновение
205
Рис. 101. Огниво Дёберей-
нера.
с цинком приходила серная кислота. При этом образовывался водо-
род, который воспламенялся при соприкосновении с находившейся
перед отверстием платиной. Курильщик того времени, закурив свою
трубку или сигару, закрывал кран, после чего водород, который
продолжал выделяться при взаимодействии цинка с серной кис-
лотой, вытеснял кислоту из внутренней трубки, как это происходит в
аппарате Киппа, и тем самым реакция приостанавливалась. Большим
успехом это огниво, однако, никогда не пользовалось, ибо, во-первых,
его нельзя было захватить с собой в карман (его размеры были не так
уж малы), а, во-вторых, оно легко могло разбить-
ся, и кому могла понравиться перспектива вымо-
чить карман серной кислотой? Кроме того, через
кран, который никогда не мог быть закрыт очень
плотно, проникал водород, на его место в сосуд
мог проникнуть воздух, и при следующем приме-
нении этого огнива мог произойти самый внуши-
тельный взрыв гремучего газа, который вызывал
необходимость конструировать огниво заново. Эти
явления подробно изучил Берцелиус, и он-то и
ввел в 1836 году понятие катализатора. Под этим
именем он понимал вещество, которое «одним
только своим присутствием вызывает химическую
активность, не проявлявшуюся без его участия».
В течение следующих лет очень скоро стали
известны многие новые катализаторы, и знаком-
ство с катализом стало расширяться. Возрастало
и число реакций, дающих возможность каталити-
ческого получения веществ более простым и изящ-
способы, которые были известны ранее, а также
таких реакций, которые до того без катализатора вообще не могли быть
вызваны. В настоящее время катализаторы играют в химии весьма значи-
тельную роль. Почти все процессы заводского производства протекают
при содействии катализаторов, и подбор подходящего катализатора
играет не последнюю роль при решении вопроса о самой возможности
того или иного синтеза. Столь же велико значение катализаторов, на-
зываемых ферментами или энзимами, для жизнедеятельности организ-
мов: они регулируют химические процессы, протекающие в этих орга-
низмах.
Что же нам известно относительно природы катализатора и как он
функционирует? Хотя химия весьма заинтересована в правильном реше-
нии этого вопроса и хотя в этой области многочисленные исследователи
много поработали, все же этот вопрос далеко еще не может считаться окон-
чательно выясненным даже и в наше время. Правда, многое в этой области
стало известно, и некоторые представления относительно течения катализа
уже получены, однако в этой области пока еще преобладают опытные дан-
ные. В тех случаях, когда для проведения той или иной реакции необхо-
206
ным способом, чем те
димо найти катализатор, все еще приходится обращаться к терпеливому
и весьма старательному подыскиванию подходящего катализатора чисто
опытным путем. Правда, такое подыскивание теперь уже может произво-
диться при направляющем влиянии некоторых уже установленных ныне
закономерностей. Так, например, нам известно, что платина является весь-
ма активным и разносторонним катализатором, а также что тяжелые ме-
таллы, равно как и их окислы, отличаются лучшими каталитическими
свойствами по сравнению с легкими металлами.
Мы различаем два рода катализа: во-первых, гомогенный каталаз и,
во-вторых, гетерогенный катализ. Мы имеем дело с гомогенным катализом
в тех случаях, когда катализатор и то вещество, которое должно быть
введено в реакцию (его называют субстратом), характеризуются одинако-
вым агрегатным состоянием и образуют смесь, имеющую во всех своих
точках одну и ту же форму, т.е. являющуюся гомогенной. Такую гомоген-
ную систему представляет собой, например, раствор поваренной соли, воз-
дух. Наоборот, смесь льда с водой, хотя и состоит из одного и того же ве-
щества, но все же характеризуется наличием двух фаз. Поэтому такую
смесь следует назвать гетерогенной, т. е. не везде однородной. С таким ге-
терогенным катализом мы познакомились уже при реакции разложения
перекиси водорода действием двуокиси марганца и при реакции сожже-
ния водорода на платине.
Мы уже отмечали, что катализатор не принимает участия в реакции,
течение которой он вызывает или ускоряет, но для верности мы поставим
перед словами «не принимает участия» слова «на первый взгляд». Ибо мы
никогда не сможем придерживаться того мнения, что эта реакция прихо-
дит в движение лишь благодаря одному присутствию катализатора. Не-
сомненно, что форма и количество катализатора в конце реакции будут
оставаться неизменными, однако это вовсе не исключает того, что он может
образовывать с субстратом промежуточные продукты, от которых он снова
может отделяться и, таким образом, в конце реакции он снова будет
присутствовать отдельно от других продуктов. Если я ухожу из комнаты,
оставляя свою дочурку сидеть на стуле, а через час, вернувшись снова,
нахожу ее сидящей на стуле и одновременно замечаю, что на другом конце
комнаты валяются осколки разбитой вазы, стоявшей до моего ухода в це-
лости на столе, то я вовсе после этого не уверую в чудеса и не подумаю,
что ваза упала со стола под влиянием одного только взгляда. Наоборот, я
буду иметь полное основание подумать, что мое дитя, несмотря на свой не-
винный вид, за время моего отсутствия «прореагировало» с вазой и пришло
с ней в соприкосновение. Так в конце концов обстоит дело и с катализа-
торами. Если они проявляли активность, то они обязательно должны были
приходить в соприкосновение с молекулами.
В качестве первого вывода мы можем утверждать, что если все об-
стоит так, как было объяснено выше, то весьма значительную роль должна
играть активная поверхность катализатора, ибо чем больше эта поверх-
ность, тем чаще катализатор может приходить в соприкосновение с суб-
стратом.
207
Однако, ввиду того что поверхность зависит не только от количества,
но также и от степени измельчения данного вещества, мелко раздроблен-
ный катализатор должен быть значительно более активным по сравнению
с более крупнозернистым. Мелко раздробленная платина, такая, какой
является, например, так называемая «платиновая чернь», зажигает во-
дород легче, чем компактная платиновая проволочка, при действии кото-
рой мы лишь с трудом сумеем установить каталитическую активность.
Для увеличения поверхности катализатора его подвергают весьма
тонкому измельчению и затем снова наносят на пористый материал так,
чтобы он и в нанесенном состоянии еще находился в весьма рыхлом со-
стоянии. Такими пористыми материалами являются: активированный
уголь, асбест, пемза, кизельгур, особым образом приготовленная окись
алюминия и т. п.
Уже давно было сделано предположение, что катализатор на протяже-
нии реакции образует с соучастником по реакции одно или несколько
промежуточных соединений, и что он этим промежуточным соединениям
сообщает способность вступать во взаимодействие со вторым участником
реакции и при этом отщеплять обратно рыхло присоединенный к ним ка-
тализатор. Обозначим в самой общей форме обоих участников реакции
буквами А и В, а катализатор — буквой /С Тогда мы схематически весь
процесс сможем представить следующими равенствами:
а+к^ак
ак+в^ав+к.
Слагая обе частные реакции, мы получим:
АА-В -» АВ, т. е.
равенство, при котором обозначены лишь начальный и конечный про-
дукты.
Предположение об этих промежуточных продуктах хорошо объяс-
няет действие катализаторов, а существование таких промежуточных со-
единений в некоторых случаях было установлено непосредственно. Уже
в следующем разделе мы познакомимся с таким катализатором в виде оки-
си азота при описании получения серной кислоты по камерному методу.
Этот катализатор делает возможным синтез и в конце реакции остается
в таком же количестве, в каком он находился и до реакции; он может дей-
ствовать благодаря тому, что образует промежуточные продукты с дру-
гими участниками реакции. И, наконец, мы и в процессе Сольвея можем
аммиак рассматривать как катализатор, ибо в конце реакции он остается
полностью не израсходованным. Однако эти случаи представляют собой
исключения. Обыкновенно существование подобных промежуточных со-
единений вообще невозможно установить, ибо они существуют в течение
лишь краткого времени и снова распадаются после своего образования.
Во многих случаях мы ничего не можем возразить против допущения
существования таких промежуточных соединений даже в тех случаях,
208
когда их не удалось установить непосредственно. Но как быть с платиной,
которая ведь обнаруживает очень хорошие каталитические свойства, хотя,
с другой стороны, и представляет собой самый благородный металл и
в обычном смысле слова не вступает в реакцию соединения с другими
веществами? Следует ли думать, что мы в этом случае имеем дело
с процессом, отличающимся по своей природе совершенно другим харак-
тером? В настоящее время так не думают. Однако нам не следует утверж-
дать относительно промежуточных соединений, что они всегда пред-
ставляют собой строго определенные химические соединения, характери-
зующиеся проявлением химических связей. Часто бывает и так, что на по-
верхности катализаторов — и это в первую очередь следует отнести к
случаям гетерогенного катализа — проявляют активность некоторые
дополнительные силы, которые обусловливают установление менее проч-
ной адсорбционной связи. Взглянем на по-
верхность какого-нибудь вещества. Его по-
верхностная часть, так же как и все веще-
ство, состоит из молекул или из ато-
мов. Атомы представляют собой тела, а мы
уже знаем, что все атомы взаимно притяги-
вают друг друга и проявляют взаимодей-
ствие присущих этим атомам сил. Направ-
ленные в разные стороны силы атома, нахо-
дящегося внутри вещества, встречают со всех
сторон другие соседние атомы И компенси- Рис. 102. Появление дополНИ-
РУ юте я силами этих соседних атомов. Иначе тельных активных сил на поверх-
обстоит дело с атомами, находящимися на ности.
поверхности. В этом случае выравниваться
будут у атомов только силы, направленные внутрь; силы же, направ-
ленные вовне, останутся ненасыщенными и будут способны притяги-
вать какие-нибудь другие тела. В еще большей степени это проявится
на углах и на ребрах кристаллов, ибо здесь большая часть сил атомов
направлена во внешнюю сторону. Таким образом, мы можем говорить
о поверхностных силах, благодаря действию которых на поверхности
может иметь место присоединение другого вещества. Молекулы, попа-
дающие в область этих поверхностных сил, адсорбируются. Такая адсорб-
ция имеет своим результатом деформацию и вместе с тем ослабление
связей в адсорбированной молекуле. Молекула становится в значитель-
ной степени более способной к разрыву на части и после этого легче всту-
пает в реакцию. Если мы на поверхности образуем путем ее разрыхления
особенно значительное число углов и ребер, то адсорбционная способность
такой поверхности возрастет, и вместе с тем возрастет и ее каталитическая
активность. В таких случаях следует считать, что благодаря этому увели-
чению поверхности увеличится и число активных центров, сосредоточен-
ных в углах и ребрах.
Можно различать два рода катализаторов. Одни из них имеют общее
действие и могут проявлять активность при различных реакциях. Другие
14 з. Шпаусус
209
катализаторы способны ускорять лишь одну определенную реакцию. Такие
катализаторы называют специфическими катализаторами. Прежде думали,
что все ферменты относятся к числу таких специфических катализаторов,
однако теперь эта точка зрения изменена. Теперь изучены и такие фермен-
ты, которые способны проявлять каталитическое действие по отношению
к нескольким различным реакциям; с другой стороны, существуют также
и неорганические специфические катализаторы.
Примером катализатора, проявляющего очень разнообразную актив-
ность, представляет собой платина. Она способна почти всегда проявлять
каталитическую активность, когда необходим неорганический катализатор.
Платина воспламеняет водород, вызывает разложение перекиси водорода,
делает возможным окисление двуокиси серы с образованием серного ан-
гидрида, а также окисление аммиака с образованием азотной кислоты. Она
может быть использована
Рис. 103. Изменение продуктов реакций
при различных катализаторах.
при синтезе аммиака ит. п.
Очень интересно, что
реакция между двумя оп-
ределенными исходными
веществами может при
применении различных
катализаторов повести к
образованию различных
конечных продуктов. Ил-
люстрируем это на одном
примере. Каждый раз мы
будем исходить из смеси
окиси углерода с водоро-
дом. Если при этом мы
воспользуемся железным
катализатором, то получим
соединение углерода с во-
дородом, так называемый
метан. Совершенно другое соединение мы получим из тех же исходных
продуктов при применении в качестве катализатора окиси олова: в этом
случае получается метанол. Наконец, при применении смешанного ката-
лизатора, состоящего из окиси никеля, марганца и алюминия, из тех
же самых исходных материалов мы получим бензин, а катализатор,
состоящий из окиси цинка и окиси хрома, вызывает образование изо-
бутилового спирта. Таким образом, в некоторых случаях мы можем
путем выбора катализатора проводить реакцию в намеченном нами
направлении.
Как уже было выше установлено, такой катализатор не может про-
являть свое действие вечно. Он будет в результате протекающей хотя бы
в незначительной степени побочной реакции в более или менее скором
времени израсходован; однако он может исчерпаться и гораздо скорее
в тех случаях, когда вступает в соприкосновение с веществами, способными
210
очень быстро и на длительное время лишить его свойственных ему актив-
ных свойств, «отравить» его. Те вещества, которые способны это сделать,
называют каталитическими ядами. Они вызывают опасения в области тех-
нической химии, ибо можно самым прекрасным образом построить завод,
можно наилучшим образом подыскать весьма активный катализатор для
данной реакции и в конце концов все это окажется бесцельным, ибо в ис-
ходных веществах будет содержаться в виде загрязнения яд для катали-
затора, который превратит все усилия в прах. В особенности твердые ка-
тализаторы легко поддаются действию каталитических ядов тех веществ,
которые осаждаются на активных центрах и образуют на них очень устой-
чивые соединения и таким путем лишают возможности протекать по-преж-
нему желательные процессы присоединения. В этом случае может помочь
делу тщательная очистка исходных веществ от примеси таких каталити-
ческих ядов.
До сих пор мы рассматривали только такие случаи, когда катализатор
ускорял реакцию. Так и происходит в большинстве процессов, однако от-
нюдь не обязательно должно так происходить всегда. В противополож-
ность этим положительным катализаторам существуют также и отри-
цательные катализаторы (ингибиторы), которые замедляют течение ре-
акции, т. е. действуют на реакцию тормозящим образом. Они иногда мо-
гут иметь не менее важное значение, чем и положительные катализаторы.
Перекись водорода хотя и довольно устойчивое соединение, однако разла-
гается в значительной степени уже без катализатора. Если же мы добавим
к перекиси водорода фосфорной кислоты, то ее разложение испытает тормо-
жение. Мы имеем в этом случае дело с отрицательным катализом. Равным
образом при добавлении «антидетонаторов» к автомобильному горючему
мы также имеем дело с такими отрицательными катализаторами. Дето-
нация вызывается тем, что в цилиндре мотора смесь горючего вступает в
реакцию с воздухом слишком бурно. Испаряющееся горючее сгорает слиш-
ком быстро и оказывает поэтому на поршень слишком сильное и внезапное
давление. Это обстоятельство и проявляется в виде «детонации». В это вре-
мя подшипники и подвижные части испытывают от этой детонации сильные
толчки, и внезапно выделяющаяся энергия не может быть рационально
использована, ибо она не переходит полностью во вращательное дви-
жение. Антидетонаторы вроде карбонила железа или тетраэтилсвинца
действуют в качестве отрицательных катализаторов, замедляя процесс
горения.
На этом мы и закончим рассмотрение и обсуждение катализаторов и
каталитических реакций. Однако мы далеко не исчерпали этого вопроса.
Мы все время будем встречать такие реакции на протяжении следующих
разделов, и лишь после ознакомления со всеми излагаемыми примерами
мы получим небольшое представление относительно их распространения
и громадного значения.
Первым важным примером действия катализаторов послужит для нас
знакомство с производством серной кислоты.
211
СЕРНАЯ КИСЛОТА
На примере соды мы уже познакомились с веществом, которое само
по себе имеет весьма неприглядный вид, да и не так-то часто встречается
на нашем пути, но которое, несмотря на это, является совершенно необхо-
димым для производства многих важнейших продуктов. К этим полу-
продуктам химической основной промышленности относится также и сер-
ная кислота. Она, собственно говоря, находит себе применение почти везде
в химической промышленности: при производстве минеральных удобрений,
для очистки нефти, при производстве химических товаров и взрывчатых
веществ, красок, медикаментов, пластических масс, искусственного во-
локна и множества других фабрикатов, которые даже трудно и перечис-
лить. Без преувеличения можно сказать, что серная кислота является
основой народного хозяйства и что количество производимой в каждой
стране серной кислоты может служить мерилом развития в этой стране хи-
мической промышленности. В 1936 году годовое мировое производство сер-
ной кислоты превысило цифру 10 миллионов тонн. Из них 3 миллиона тонн
было получено по контактному методу, а остальное — по камерному ме-
тоду. Эти числа в настоящее время уже удвоились, причем доля кон-
тактной серной кислоты в среднем составляет 70% общего ее производства.
Серная кислота принадлежит к старейшим известным кислотам; она
была описана еще арабскими алхимиками. Они получали путем нагре-
вания квасцов серный ангидрид — трехокись серы, которая с водой пре-
вращается в серную кислоту:
SO3+H2O->H2SO4.
Исходным веществом для получения серной кислоты служил также
и железный купорос, образующийся при выветривании железных руд.
В частности, в месторождениях Гарца, где встречается такая руда,
серная кислота добывалась из нее с большим искусством местными ку-
старями. Обжигатели купороса сначала подвергали железный колче-
дан выветриванию, затем получали путем выщелачивания и выпари-
вания купоросный камень, который, наконец, нагревался в глиняных
сосудах до высокой температуры и при этом выделялась трехокись серы.
Эту последнюю оставалось только пропустить в воду, и таким образом
получалась серная кислота, которая под названием «нордгаузенское ку-
поросное масло» ценилось в прежнее время в такой же мере, как в на-
стоящее время ценится «нордгаузенское зерно».
Однако было также известно, что и при сжигании серы с добавле-
нием выделяющей кислород селитры также образуется серная кислота.
Аптекари проводили этот процесс в стеклянных сосудах, однако при
этом они могли получить ее в количестве не большем, чем было необхо-
димо для употребления в аптеках. Увеличение же производства не мог-
ло быть осуществлено вследствие хрупкости стекла.
Английский химик Р ё б у к пошел по такому же пути получения
серной кислоты, но стал проводить соответствующие реакции в камерах,
которые изнутри были выстланы свинцом. Свинец принадлежит к тем
212
немногим металлам, которые могут противостоять крепкой серной кис-
лоте. Правда, кислота действует также и на свинец, но при этом обра-
зуется нерастворимый сульфат свинца; он покрывает металл постоянным
защитным слоем и таким образом защищает его от дальнейшего дей-
ствия кислоты. В этих свинцовых камерах Рёбук сжигал серу с добавле-
нием селитры. Образующаяся серная кислота вытесняла из селитры азот-
ную кислоту:
2NaNO3+ H2SO4 -> Na2SO4+2HNO3,
которая в свою очередь окисляла образующуюся при сжигании серы
двуокись серы, обращая ее в серную кислоту. Дно камеры все время бы-
ло покрыто водой, в которой растворялась образующаяся серная кислота.
Первые опыты дали успешные результаты, и Рёбук построили 1741 году
поблизости от Эдинбурга небольшой завод серной кислоты. Когда через
50 лет Леблан разработал свой метод производства соды, ему не при-
ходилось испытывать недостатка в серной кислоте. Ее можно было полу-
чать уже в значительных количествах.
Между тем камерный метод получения серной кислоты усовершен-
ствовался все в большей и большей степени, и, наконец, стало возможным
при малой затрате исходных материалов получать максимальное количе-
ство серной кислоты. Даже и в настоящее время контактный метод полу-
чения серной кислоты еще не окончательно вытеснил камерный метод. Как
видно из приведенных выше данных, еще значительная доля серной кисло-
ты производится и поныне по камерному методу.
Рассмотрим сначала те процессы, которые протекают при более ста-
ром, камерном методе получения серной кислоты. Основным исходным
материалом является двуокись серы SO2. Мы вернемся позднее к вопросу,
откуда и как получается необходимое количество двуокиси серы, хотя ус-
пешное решение этого вопроса является особенно важным именно для
стран, бедных месторождениями серы и сернистых соединений.
Двуокись серы первоначально пропускают снизу в башню, скон-
струированную в 1859 году англичанином Гловером и получившую
в честь его название гловеровой башни. Мы подробнее рассмотрим процес-
сы, протекающие в этой башне, позднее, а сначала проследим дальнейший
путь газов в двух или трех больших свинцовых камерах, последовательно
включенных одна за другой. Эти камеры сложены из камня и выстланы
свинцовыми пластинами. Емкость каждой из них достигает 2000 —
5000 м3. В этих камерах и протекает взаимодействие двуокиси серы с во-
дой, причем последняя струится сверху. Двуокись серы и азотная кислота
сначала образуют при взаимодействии ншпрозилсерную кислоту в соответ-
ствии с уравнением:
SO24-HNO3->HNOSO4.
Это соединение мы можем рассматривать как серную кислоту, в ко-
торой один водородный атом заменен на группу NO. Нитрозилсерная
кислота представляет собой твердое вещество и может при недостатке
213
воды отлагаться на стенах в виде так называемых «камерных кристаллов».
Стекающая струями сверху вода взаимодействует с нитрозилсерной кис-
лотой, и при этом образуются серная кислота, азотная кислота и окись
азота:
3HNOSO4+2H2O 3H2SO4+HNO3+2NO.
Серная кислота растворяется в воде и вытекает из свинцовых камер
в виде 20-процентной камерной кислоты. Бесцветная окись азота тотчас же
взаимодействует с содержащимся в камерах кислородом с образованием
бурой двуокиси азота:
2NO4-O2=2NO2.
Эта последняя приходит затем во взаимодействие с водой и кислородом
с образованием азотной кислоты:
2NO2 + Н2О+О = 2HNO3.
Правда, не все количество газообразных окислов азота вступает в каме-
рах во взаимодействие с образованием азотной кислоты. Для того чтобы
не дать им возможности ускользнуть от реакции, отходящие газы пропу-
скают через наполненную кислотоупорным материалом башню, так назы-
ваемую башню Гей-Люссака, в которой сверху струится 70—80-процентная
серная кислота. Окислы азота — так называемые нитрозные газы — погло-
Азотная
кислота
Серная кислота
Рис. 104. Схема получения серной кислоты по камерному методу.
2J4
щаются стекающей серной кислотой, которая собирается, так же, как и ка-
мерная кислота, содержащая нитрозные газы, в приемнике. Отсюда ее пере-
качивают кверху в башню Гловера, в которой она струится навстречу восхо-
дящим в этой башне газам, содержащим двуокись серы. Ввиду того что смесь
газов обыкновенно нагрета до весьма высокой температуры, ее охлаждают
серной кислотой; при этом серная кислота в результате испарения воды
становится более концентрированной. В то же время газообразная дву-
окись серы поглощает окисли азота из серной кислоты и увлекает их в
свинцовые камеры, в которых они снова вступают в реакцию. Снизу из
Гловеровой башни вытекает чистая 70-процентная серная кислота, неболь-
шая часть которой перекачивается в башню Гей-Люссака, а большая часть
поступает на склад.
Этими краткими сведениями мы ограничимся при описании произ-
водства серной кислоты по камерному методу.
Для многих целей 70-процентная концентрация кислоты является
вполне достаточной. При желании иметь более концентрированную кисло-
ту ее необходимо освободить нагреванием от избытка воды в больших
сковородах из свинца или из кислотоупорной стали.
Для очистки кислоты от загрязняющих примесей, как например
свинца или мышьяка, необходима ее перегонка из реторт, изготовленных
из стекла, платины или специальной стали.
В этих процессах азотная кислота, как мы видим, играет роль ката-
лизатора, и мы очень явственно усматриваем характер ее действия. Азот-
ная кислота действует здесь в качестве окислителя и в качестве перенос-
чика кислорода, причем она образует, если мы захотим воспользоваться
термином, примененным нами в предыдущем разделе, разнообразнейшие
промежуточные соединения. Часть своего кислорода она доставляет для
окисления сернистой кислоты с образованием серной кислоты и снова при-
обретает этот затраченный кислород из воздуха через промежуточные
соединения окиси азота и двуокиси азота. В конце всех этих превращений
азотная кислота снова присутствует в смеси в том же количестве, как и в
начале процесса, по крайней мере теоретически, так как всегда незначи-
тельная часть азотной кислоты восстанавливается до азота, который,
разумеется, уже не способен вступать в какие-либо дальнейшие реакции и
устраняется из общего процесса. Поэтому для обеспечения непрерывного
производства серной кислоты необходимо постоянно возмещать потерю
азотной кислоты путем добавления новой ее порции. Несмотря на сравни-
тельно обширную необходимую аппаратуру, камерный процесс еще поны-
не оправдывает себя. В настоящее время часто удается обходиться без до-
вольно дефицитного свинца и выстилать камеры кислотоупорным камнем.
И как ни громоздки обширные установки в производстве серной кислоты
по камерному методу, их постройки отличаются, с другой стороны, боль-
шой простотой, ибо они ведь в главной части состоят только из башен и
свинцовых камер и их работа проще, чем характеризующие эту работу хи-
мические уравнения, которые частью и по сие время не могут считаться
вполне точно разъясненными.
21$
В последнее время получила известность одна из разновидностей ка-
мерного процесса, а именно разработанный в 1906 году О п л е м башен-
ный метод производства серной кислоты.
В этом методе вместо свинцовых камер применяются башни из кис-
лотоупорного материала, похожие на башни Гловера, но только большего
размера.Между башнями находятся небольшие свинцовые ящики, через ко-
торые должны проходить газы и в которых при помощи быстро вращающих-
ся валов разбрызгивается серная кислота, содержащая окислы азота.
Наиболее современным методом производства серной кислоты, бес-
спорно, является контактный метод. Ввиду того что в гетерогенном ка-
тализе твердые катализаторы часто называют контактными массами или
контактом, само наименование этого метода определяет и его сущность,
заключающуюся в применении контактных веществ. Принцип этого ме-
тода был разработан еще в 1831 году англичанином Филипсом, но
после этого прошло 65 лет, пока Винклер и К н и т ч смогли раз-
работать его в качестве широко применяемого в промышленности.
Как часто бывает, между лабораторным опытом, выполненным в не-
большом масштабе, и крупным техническим производством приходится
отмечать громадную разницу! Если какая-нибудь реакция была разрабо-
тана в лаборатории и здесь она протекает вполне удовлетворительно, то
это еще далеко не позволяет решить, что она столь же удовлетворитель-
но будет протекать и на предприятии в масштабе, в сотни раз более круп-
ном. Ведь в этом случае приходится иметь дело с другими условиями и не-
обходимо работать с другой аппаратурой. Стекло в этом случае непри-
менимо ввиду его ломкости, почему приходится пользоваться материа-
лами, выдерживающими гораздо большие давления и температуры. Не-
обходимо разрешить задачу получения очень высоких температур отвода
значительных количеств тепла, выделяющегося при реакции; в процессе
могут возникнуть тысячи разных трудностей и препятствий, появления
которых даже нельзя было ожидать. Выбор катализатора обыкновенно
является особой проблемой, ибо в крупной промышленности пользоваться
весьма драгоценной платиной возможно, разумеется, только в редчайших
случаях, между тем как в лабораторной практике ее стоимость не пред-
ставляет собой столь решительного затруднения. Наконец, незначитель-
ные количества каталитических ядов в исходных материалах могут очень
скоро сильно понизить активность катализаторов, и удаление этих посто-
ронних веществ из сферы реакции представляет весьма трудную задачу,
связанную с большими расходами. Необходимо затратить много упорной
работы, прежде чем удастся получить новый продукт и успешно осуще-
ствить его производство.
При внедрении контактного метода отягчающим обстоятельством
была в то время весьма дешевая цена серной кислоты, получаемой камер-
ным способом. Поэтому было трудно решиться на затрату значительных
денежных сумм для производства серной кислоты по новому методу. Это
было связано с большим риском в том случае, если бы производство
оказалось нерентабельным.
216
В настоящее время контактный способ оправдал себя с экономиче-
ской точки зрения и уже внедрен в производство. Новые заводы серной
кислоты работают главным образом по этому методу. В то время как по ка-
мерному методу можно непосредственно получать кислоту не выше 80-про-
центной концентрации, которую затем приходится с большим трудом кон-
Рис. 105. Электрофильтр для очистки газов.
центрировать дальше выпариванием, по контактному способу получается
кислота непосредственно 96—
98-процентной концентрации,
не нуждающаяся в дальней-
шей переработке.
Исходным материалом
при контактном методе также
является двуокись серы, сме-
шанная с кислородом, а в тех-
нике, разумеется, с воздухом.
Эти газы пропускаются над
катализатором, который спо-
собствует окислению двуоки-
си серы до трехокиси серы:
2SO24-O2 -> 25О3+теплота.
Прежде в качестве кон-
тактной массы применялась
исключительно платина; в
настоящее время для этой
цели пользуются чаще всего
окислом металла ванадия
V2O5, а иногда также и осо-
бенным образом приготовлен-
ными окислами железа. Ката-
литическое действие окисла
ванадия следует себе пред-
ставлять следующим обра-
зом: V2O5 отдает один атом
кислорода двуокиси серы,
окисляя ее таким образом до
трехокиси серы, а сам тотчас
же взаимодействует с посту-
пающим извне воздушным
кислородом с новым образо-
ванием пятиокиси ванадия.
При этих реакциях важно поддерживать определенную температуру.
При платине наиболее благоприятная температура составляет 400°С, ибо
ниже этой температуры образование трехокиси серы протекает слишком
медленно, между тем как выше 400° трехокись серы в возрастающей сте-
пени разлагается на свои составные части — двуокись серы и кислород,
217
благодаря чему, разумеется, понижается выход продукта и экономичность
метода. Для окиси железа оптимальная температура равна 600°С.
Ввиду того что при образовании трехокиси серы выделяется теплота
и что, таким образом, эта реакция является экзотермичной, катализатор
не приходится нагревать до определенной температуры при помощи тепла,
подводимого извне. Наоборот, его приходится охлаждать. Эта операция
осуществляется так, как показано на рисунке 107. По длинным, заполнен-
Рис. 106. Контактный аппарат.
ним контактной массой трубам снизу по направлению кверху циркулирует
реакционная смесь. Одновременно по межтрубному пространству просасы-
вают холодный воздух с тем расчетом, чтобы температура поддерживалась
на уровне 400°С при платиновом катализаторе и 600°С при окислах железа.
Необходимо преодолеть еще одну трудность. Образовавшаяся трех-
окись серы представляет собой вещество крайне гигроскопичное. Во влаж-
ном воздухе она образует с парами воды капельки — белый туман, кото-
рый чрезвычайно трудно растворяется в воде с образованием серной
кислоты. В данном случае мы должны рассматривать и этот процесс рас-
творения в качестве определенной химической реакции, ибо при пропуска-
нии в воду серный ангидрид превращается в соответствующую кислоту.
Реакция между трехокисью серы и водой будет протекать только тогда,
когда оба вещества будут приходить в соприкосновение друг с другом.
Следовало бы считать, что находящиеся в газообразном состоянии моле-
218
кулы трехокиси серы весьма подвижны и что во время их собственного
движения они сталкиваются с молекулами жидкой воды и при этом всту-
пают сними в химическое взаимодействие тем с большим основанием, что
оба участника этой реакции проявляют большое сродство друг к другу.
Однако на самом деле трехокись серы находится в газообразном состоя-
нии лишь при более высокой температуре, при охлаждении же ее молеку-
лы соединяются друг с другом с образованием маленьких жидких капелек,
Рис. 107. Схема контактного аппарата в разрезе.
которые во влажном воздухе конденсируются с водой в еще более крупные
капли и образуют густой белый туман. Такие капли тумана, разумеется,
движутся вследствие их большой величины значительно медленнее, чем мо-
лекулы. При пропускании смеси трехокиси серы с водой и воздухом через
воду частицы тумана совсем не попадают на поверхность воздушных пузырь-
ков, где они могли бы приходить в соприкосновение с водой. Лишь в том слу-
чае, если вода будет заменена концентрированной серной кислотой, трех-
окись серы будет растворяться хорошо. Ибо в этих условиях серная кисло-
та будет поглощать из тумана воду, частицы сделаются более подвижными,
при прохождении пузырьками через серную кислоту они начнут соприка-
саться с поверхностью пузырьков воздуха и здесь будут переходить в рас-
твор. При определенно установленном поступлении воды к серной кислоте
можно длительно поддерживать ее концентрацию на уровне 98%.
Независимо от того, по какому методу будет получена серная кислота,
во всех случаях главным исходным полупродуктом является трехокись
серы. Но как получить последнюю в требуемых больших количествах?
219
В таких странах, как Италия, Япония и США, где имеется изобилие дешевой
элементарной серы, этот вопрос не составляет серьезной проблемы. Серу
сжигают, и продукт горения серы представляет собой двуокись серы, ко-
торую даже нет необходимости очищать:
S+O2->SO2.
Не столь просто обстоит дело в большинстве других стран. Импорт
и переработка элементарной серы составили бы, правда, простейшее ре-
шение этой проблемы, однако в большинстве случаев такой путь связан со
слишком большими расходами, и серная кислота, а вместе с тем и многие
химические продукты в результате этого могли бы сильно подорожать.Го-
раздо лучше было бы сжигать сернистые соединения, могущие служить
сырьем для получения двуокиси серы. Такими соединениями являются
прежде всего содержащие серу железные руды, сульфиды, пирит, или сер-
ный колчедан, соответствующий формуле FeS2. Равным образом и медный
колчедан FeCuS2 или цинковая обманка ZnS, а также свинцовый блеск
PbS относятся к таким соединениям. Эти руды представляют для нас очень
большой интерес, ибо именно они служат рудой для добывания со-
держащихся в них металлов. Однако из сернистых руд не удается непо-
средственно получать металлы. В домне протекают процессы восстановле-
ния, и руды должны быть в ней использованы в виде окислов. Следова-
тельно, если мы имеем дело с сульфидными рудами, то мы должны перед
выплавкой из них металлов превратить эти руды в окислы. Для этого
сульфиды обжигают в токе воздуха. При этом кислород соединяется
с содержащейся в сульфидных рудах связанной серой с образованием дву-
окиси серы, и одновременно он же соединяется и с металлом с образова-
нием окисла. После этого окислы металлов идут на выплавку соответствую-
щего металла, а двуокись серы, бывшая когда-то неприятным и бесценным
побочным продуктом, обеспечивает заводы серной кислоты необходимым
для них сырьем. Для пирита этот процесс обжига выразится следующим
уравнением:
4FeS2-{-11О2 -> 2Fe2O3+8SO2.
Процесс проводят в больших рудообжигательных печах. В эти печи
сверху засыпают сульфидную руду и одновременно снизу вдувают воз-
дух. Печь внутри подразделена на отдельные этажи и вдоль продольной
оси снабжена валом, приводимым извне в движение. Смесительные плечи
этого вала основательно перемешивают руду и медленно передвигают ее
от одного этажа к другому, пока, наконец, она не будет выброшена внизу
из печи в качестве «огарка» (окислов).
Дальнейшая стадия в развитии конструкции описанной этажной ру-
дообжигательной печи была достигнута на Баденской анилиновой и содо-
вой фабрике путем разработки вихревой шахтной печи. Пылевидная руда,
подлежащая обжигу, вдувается вихрем при помощи поступающей снизу
струи воздуха. При этом она приходит в тесное соприкосновение с возду-
хом и легко вступает с ним в химическое взаимодействие, сгорая в нем.
220
Железный
колчедан
Рис. 108. Многоэтажная вращающаяся печь для обжига колчедана.
Обжиговые газы состоят из двуокиси серы, главным образом из не-
прореагировавшего кислорода и азота и характеризуются следующим со-
ставом: 8% SO2, 10% О2 и 82% N2. Эти газы всегда необходимо основа-
тельно очищать. Но если для камерного процесса эта очистка может ог-
раничиться лишь механической очисткой от рудной пыли, то для контакт-
ного метода она должна быть осуществлена гораздо основательнее.
Особое внимание должно быть обращено на удаление соединений мышьяка,
так как последние часто могут повести к отравлению катализатора.
221
Как ни прекрасно и ни гладко получается двуокись серы в процессе
обжига, но ее производство всегда находится в зависимости от наличия
сульфидных руд. Если таких руд не имеется или они имеются лишь в ог-
раниченном количестве, то двуокись серы не может быть получена или мо-
жет быть получена лишь в незначительном количестве путем обжига руды.
Результатом этого будет по необходимости малое количество серной кисло-
ты, а это отразится неблагоприятно на всей химической промышленности
и, в конечном итоге, также на хозяйстве и благополучии всей страны. Как
раз Германия не располагает особенным изобилием
таких руд. При нежелании непрерывно находиться
в зависимости от импорта руды и покрывать недо-
статок двуокиси серы исключительно привозной
рудой необходимо искать других путей покрытия
недостатка сырья для производствасерной кислоты.
4% песок
8°/о кокс
78°/0 гипс
10°/о глина
Мельница
и
смеситель
Рис. 109. Схема получения сернистого ангидрида из гипса (по методу
Мюллера — Кюне).
Соединением серы, имеющимся в Германии в большом избытке,
является гипс, сульфат кальция CaSO4. Если бы оказалось возможным
добывать серу из гипса, все равно, в виде ли свободной серы или в виде
двуокиси серы, то это явилось бы большим успехом. Поэтому уже
давно на разрешение этой проблемы было обращено внимание исследо-
вателей. Наконец, работы в этом направлении увенчались успехом и
привели к разработке метода Мюллера — Кюне.
При нагревании до высокой температуры с доступом воздуха смеси
сульфата кальция с углем во вращающейся печи сульфат кальция при
действии угля разлагается на окись кальция, двуокись серы и двуокись
углерода, что схематически может быть представлено следующим уравне-
нием:
4CaSO4+2C 4CaO4-4SO2H-2CO2 — теплота»,
222
Эта реакция может также быть расчленена на две стадии. Первоначаль-
но гипс взаимодействует с углем с образованием сульфида кальция и дву-
окиси углерода. Затем при 1200° в конце вращающейся печи протекает ре-
акция взаимодействия образовавшегося сульфида кальция с дальнейшим
количеством гипса. При этом отщепляется двуокись серы:
CaSO4+2С Са S+2СО2
CaS+3CaSO4—4CaO+4SO2.
Таким путем действительно можно получить ценную двуокись серы,
правда, не по очень дешевой цене, ибо разложение гипса требует затраты
значительного количества энергии, т. е. угля. Утешительным обстоятель-
ством является образование при этом в качестве побочного продукта окиси
кальция — негашеной извести, которая с другими остатками может быть
переработана на цемент, благодаря чему описываемый метод может стать
несколько более рентабельным. Для этой пели перед процессом обжига к
смеси добавляют глины и песка с таким расчетом, чтобы исходная смесь
была составлена из 78% гипса, 10% глины, 4% песка и 8% кокса. Описан-
ный метод Мюллера — Кюне может найти применение повсюду, где не
имеется возможности добиться получения двуокиси серы более простыми
и дешевыми методами.
Ознакомившись довольно подробно с производством серной кислоты,
обратимся к рассмотрению ее свойств. С самого же начала необходимо за-
метить, что концентрированная серная кислота представляет собой одну из
сильнейших и опасных кислот и что работа с ней требует опыта и осторож-
ности. Концентрированная 98-процентная серная кислота представляет со-
бой тяжелую маслянистую жидкость, жадно поглощающую влагу, а следова-
тельно, в высокой степени гигроскопичную. Поглощение воды сопряжено
с выделением значительного количества тепла. Это свидетельствует о том,
что кислота не просто растворяется в воде, но что при этом процессе проте-
кает химическая реакция и образуется химическое соединение. В связи
с выделяющейся при этой реакции теплотой не рекомендуется вливать во-
ду в концентрированную серную кислоту. Первые же капли воды подверг-
нутся разогреванию в столь сильной степени, что вода испарится и раз-
брызгается вместе с кислотой. «Сначала вода и затем кислота, иначе
произойдет ужасное»1. Так гласит не очень приятная, но зато хорошо за-
поминающаяся поговорка.
В связи со свойством серной кислоты жадно поглощать воду ее часто
применяют в качестве высушивающего средства для газов и других ве-
ществ. При дальнейшем пропускании трехокиси серы в концентрирован-
ную серную кислоту можно получить дымящую серную кислоту, которую
прежде называли также нордгаузенским купоросным маслом или оле-
1 «Erst das Wasser, dann die Saure, sonst geschicht das Ungeheure».
223
умом. В ней избыточное количество трехокиси серы находится в растворен-
ном состоянии. На воздухе эта трехокись частично улетучивается в виде
белого дыма, откуда происходит и название «дымящей серной кислоты».
Безводная концентрированная кислота не может, разумеется, распа-
даться на свои ионы. Поэтому она и не обнаруживает характерных
Рис ПО. Промывная склянка для
высушивания газа.
свойств всякой кислоты, которые связаны
с наличием свободных водородных ионов.
Одновременно мы ожидаем от кислоты,
что она будет взаимодействовать с металла-
ми с образованием соли и с выделением
водорода. Концентрированная серная кис-
лота также взаимодействует с метал-
н2$(ч
Рис. 111. Эксикатор.
лами, однако эта реакция протекает по иной схеме. Ввиду того что
кислота содержит очень много связанного кислорода, она в первую
очередь окисляет металл с образованием воды и двуокиси серы и только
после этого вступает во взаимодействие с окислом металла таким образом,
как обыкновенно реагирует кислота с металлическим окислом. Возьмем
для примера реакцию серной кислоты с металлической медью:
, Cu + HnSO4->CuO + SO9+H2O
CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O_______
Си +CuO+2H2SO4 -> CuO+SO2+CuSO4 + 2H2O.
Как и в математических уравнениях, мы можем сократить соответ-
ствующие члены в левых и правых частях уравнений, и тогда получим
окончательное уравнение:
Cu+2H2SO4^CuSO4+SO2+2H2O.
К этой все же несколько отклоняющейся от нормы реакции кислоты
мы вернемся ниже и поймем еще лучше после того, как осветим ее с но-
вой точки зрения.
224
ОТ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СКОРОСТИ РЕАКЦИИ
К УСТАНОВЛЕНИЮ ЗАКОНА ДЕЙСТВИЯ МАСС
Мы уже познакомились со значительным числом химических реакций,
однако их рассматривали главным образом лишь с одной определенной
точки зрения. Мы всегда интересовались только тем, какие вещества при-
сутствуют перед реакцией, и во что в конце концов превращаются эти
вещества; таким образом, мы рассматривали исходные вещества и конечные
продукты лишь с точки зрения характера и свойств образующихся соеди-
нений. Однако никогда мы не интересовались полнотой течения процесса
реакции с точки зрения количественных, соотношений участвующих ве-
ществ. Нас мало интересовал также и вопрос о продолжительности таких
реакций. Но химическая реакция, как и всякий процесс, должна, разуме-
ется, осуществляться в течение определенного промежутка времени, хотя
бы и самого незначительного. При добавлении к разбавленной серной кис-
лоте небольшого количества раствора хлористого бария ионы бария и суль-
фатные ионы тотчас же взаимодействуют друг с другом соответственно
уравнению:
BaCl2+H2SO4 — BaSO4-|-2HCl
и немедленно же выпадает белый осадок нерастворимого сульфата бария.
В этом случае реакция протекает в течение кратчайшего промежутка вре-
мени, и скорость реакции очень велика. С другой стороны, встречаются ре-
акции — напомним хотя бы о реакции ржавления железа,— течение ко-
торых во времени проследить вообще не удается, ибо в этом случае ско-
рость реакции очень мала. Этот процесс продолжается в течение весьма
долгого времени — иногда в течение месяцев и лет. Во многих химических
реакциях нас интересует не только образование определенного конечного
продукта, но главным образом продолжительность реакции образования
вещества. Метод может быть как угодно прост и обеспечивать получение
очень важного вещества, но если скорость реакции такова, что этот про-
дукт будет получен на протяжении нескольких недель или даже месяцев,
то он в большинстве случаев уже не будет представлять практического
интереса. Обратимся к обсуждению проблемы скорости реакции и уста-
новим, от чего зависит эта скорость и каким образом возможно на нее
повлиять.
Если мы будем иметь в виду все то, что узнали относительно хи-
мической реакции, то ответ на поставленные выше вопросы уже не пред-
ставится для нас затруднительным. Химическая реакция происходит
ведь благодаря тому, что молекулы, атомы и ионы двух или большего
числа веществ приходят друг с другом в столкновение во время их неупо-
рядоченного движения (его называют броуновским движением). Только
в этом случае появляется возможность их взаимодействия. Если это про-
изойдет с двумя атомами или ионами, то они смогут соединиться в том слу-
чае, когда между ними действует достаточно большая сила сродства.
При столкновении различных молекул атом или ион одной молекулы
15 3. Шпаусус
225
может проявлять к атому или иону другой молекулы более сильное срод-
ство, чем к другим атомам того соединения, с которым он был связан до
столкновения. При наличии соответствующих условий столкновения обеих
молекул оба таких атома или иона поменяются местами и произойдет пере-
группировка соответственно приведенной ниже схеме:
AB+CD — AC+BD.
Рис. 112. Процесс горения дерева — реакция, протекающая во времени.
В этом случае мы имеем дело с превращением веществ или, как иначе
выражаются, с химической реакцией. Чем чаще происходят такие столкно-
вения, тем большее число молекул или атомов могут вступать в реакцию,
тем больше будет и величина скорости реакции.
От каких же условий зависит число таких столкновений? Несомненно,
в первую очередь от температуры. Ведь температура представляет собой
лишь выражение энергии движения частиц. Чем выше температура, тем бо-
гаче по содержанию энергии вся система, тем быстрее движутся частицы.
Тот факт, что при более быстром движении будет возрастать и число стол-
кновений, не требует особых объяснений. Однако тот человек, который в
этом будет все же сомневаться, пусть предложит пяти лицам с завязанными
глазами передвигаться в его комнате сначала шагом в самом медленном тем-
пе, затем в течение продолжительного времени бегом, и пусть при этом он
сосчитает для обоих этих случаев число столкновений, происшедших у них
в продолжение единицы времени, например в минуту. Несомненно,
226
больше синяков его гости получат во втором случае. Следовательно, повы-
шение температуры в самом общем случае знаменует собой повышение ско-
рости реакции и притом повышение в весьма значительной степени. В ка-
честве эмпирического приближенного правила можно считать, что повыше-
ние температуры на каждые 10° имеет своим результатом удвоение или ут-
роение скорости реакции. После этого становится понятным, почему химик
при проведении своих опытов так часто вынужден прибегать к нагреванию
участвующих в реакции веществ, а также и то, что вещества, которые при
обыкновенной комнатной температуре почти совершенно не реагируют друг
с другом, при 300° или 500° взаимодействуют с весьма большой скоростьюг.
Однако возвратимся снова
к поставленному нами выше
вопросу: каким образом можно
й ш
Рис. 113. Увеличение концентрации
газов при повышении давления.
Рис. 114. Схема равновесия.
повлиять на скорость реакции? Вероятность столкновения молекул
и вместе с тем вероятность наступления между ними химического
взаимодействия должна возрастать, если число столкновений увеличится.
В переполненном танцевальном зале танцующие чаще натыкаются на
локти соседа и чаще ощущают на своих ребрах толчки его ребер, чем в
том случае, когда в той же комнате будут передвигаться в туре вальса
только две танцующие пары. Другими словами, чем выше концентрация
вещества, тем больше вероятность столкновения частиц и тем выше
скорость реакции. Для газов концентрация может быть увеличена путем
повышения давления, ибо при этом мы загоняем определенное число
молекул или атомов в меньший объем, и концентрация благодаря этому
повышается.
Наконец, не следует забывать, что на скорость реакции оказывает так-
же влияние и присутствие катализатора, который способствует повыше-
1 Реакции, которые проходят при 0° в течение 1 секунды, при 100° закончатся в
срок, равный 0,001 секунды, а при 200° в срок около 0,00001 секунды. И обратно: ес-
ли при 200° реакция заканчивается в 1 секунду, то при 0° она потребует 106 секунд,
т. е. более 11 дней. (Ред.)
15*
221
нию скорости реакции. Ведь способность повышать скорость реакции яв-
ляется одним из главных признаков катализатора и является основанием
самого определения понятия «катализатор» независимо от того, сводится
ли его действие к образованию промежуточных соединений или к повыше-
нию его концентрации в результате адсорбции и к повышению концент-
рации соучастника столкновения с ним на поверхности катализатора.
Подведем же итоги. Таким образом, скорость реакции зависит: 1) от
температуры, 2) от концентрации, 3) от давления, 4) в некоторых же
случаях от действия катализатора.
Обратимся теперь к выяснению другого вопроса. Когда мы записы-
ваем уравнение реакции, то мы обозначаем направление реакции при помо-
щи стрелки. Окислению двуокиси серы кислородом с образованием трех-
окиси соответствует уравнение
2SO24-O2 — 2SO3.
Это уравнение можно прочитать следующим образом: двуокись серы соеди-
няется с кислородом с образованием трехокиси серы. При этом мы при-
держиваемся той точки зрения, что реакция протекает только в направ-
лении, указываемом стрелкой, притом до конца, и что она не заканчивается
до тех пор, пока еще в наличии имеются двуокись серы и кислород, не всту-
пившие во взаимодействие. Однако обыкновенно дело не обстоит указан-
ным образом. Наряду с реакцией образования трехокиси серы, выражен-
ной приведенным выше уравнением, одновременно протекает и противо-
положная реакция, т. е. разложение образовавшейся трехокиси серы на
ее исходные продукты — двуокись серы и кислород, т. е.
2SO3 —* 2SO2+O2.
Мы имеем, следовательно, в данном случае дело с обратимой реакцией.
Очень скоро мы увидим, каким образом удается управлять ходом реакции
и направлять течение реакций в определенные границы.
Объединив оба выписанных выше уравнения в одно, преобразуем их
в следующую форму:
2SO2+O2X2SO3.
Двойная стрелка указывает на то, что мы имеем в данном случае дело
с обратимой реакцией — с образованием трехокиси серы и с распадом этого
соединения. Вследствие того что обе эти реакции протекают одновременно,
для них обеих давление, температура и действие катализатора окажутся
одинаковыми. Скорость обеих реакций будет, следовательно, при опреде-
ленной температуре и при определенном давлении зависеть исключитель-
но от концентраций исходных и конечных веществ. Представим себе, что
мы поместили в закрывающийся сосуд двуокись серы и кислород, до-
бавили в качестве контактного вещества мелко раздробленную платину
и, закрыв сосуд, нагрели его до определенной температуры. Сначала
концентрации двуокиси серы и кислорода будут соответствовать наиболь-
шей возможной величине, а концентрация SO3 равна нулю, ибо в
22%
первый момент SO3 еще не успела образоваться совсем. Для разложения
еще не образовавшейся трехокиси серы нельзя указать никакой скорости
реакции. Однако положение дела не остается таким же дальше. По мере
того как двуокись серы и кислород соединяются с образованием трехокиси
серы, их концентрация, а следовательно, и скорость реакции их соедине-
ния понижаются, между тем как концентрация трехокиси непрерывно
возрастает, и, следовательно, возрастает и зависящая от концентрации
ее скорость разложения. Наконец должен наступить момент, в который
скорость реакции образования трехокиси серы и скорость реакции ее раз-
ложения сделаются одинаковыми. В этот момент установится состояние
равновесия, которое в химии всегда является
динамическим, т.е. непрерывно молекулы трех-
окиси серы будут образовываться и снова рас-
падаться и притом в равные единицы времени
и в одинаковом числе. Каждая обратимая реак-
ция или, в еще более общем смысле, вообще
каждая реакция приходит в конечном итоге в
состояние равновесия, в котором будет образо-
вываться ровно столько же частиц, сколько их
распадается за то же время.
Следует отметить еще одно существенное
обстоятельство. В описанном выше примере мы
достигли равновесия, исходя из смеси чистых
кислорода и двуокиси серы. Однако соответст-
вующее положение равновесия может быть до-
стигнуто и в том случае, если мы начнем
исследование, от «конечного» продукта — трех-
окиси серы, причем, разумеется, понятия «ко- рИс. 115. Влияние темпера-
нечный продукт» и «исходные материалы» по- туры на образование SO8.
лучают только относительный смысл. В этом
случае скорость реакции разложения трехокиси серы сначала будет
больше, чем скорость реакции образования ее из двуокиси серы и кис-
лорода. По мере понижения концентрации трехокиси серы и повышения
концентраций кислорода и двуокиси серы обе скорости реакций будут
сближаться все в большей и большей степени и, наконец, они станут
равными друг другу, так что наступит состояние динамического рав-
новесия. Если прочие условия, как например давление, температура, оста-
нутся неизмененными по сравнению с первым примером, то и последнее
достигнутое равновесие будет иметь одинаковое положение с первым. При
постоянных внешних условиях устанавливается соответствующее состоя-
ние равновесия, причем независимо от того, подойдем ли мы со стороны
исходных веществ или со стороны конечных продуктов.
От чего же зависит положение равновесия? Начнем наше рассмотре-
ние с влияния температуры,. Для этой цели изберем в качестве примера
опять-таки наш пример с трехокисью, двуокисью серы и кислородом и
проведем мысленно с ними нижеследующий опыт
229
Одну склянку мы наполним двуокисью серы и кислородом, притом
в том соотношении, которое необходимо для их полного исчерпывающего
взаимодействия. Сосуд после этого закрываем пробкой, через которую про-
пускаем внутрь два электрода, соединенные тонкой платиновой про-
волокой. К внешним концам электродов присоединяем источник электри-
ческого тока, который доводит до каления тонкую проволочку. Таким
образом можно, изменяя силу тока, регулировать интенсивность накала
проволочки, а следовательно, и температуру. Нетрудно понять, что при
соприкосновении с этой нагретой, действующей в качестве катализатора
проволочкой начнется течение реакции образования трехокиси серы. На-
гревая проволочку до различных температур и подвергая каждый раз ана-
лизу еще оставшиеся в сосуде количества двуокиси серы и кислорода, а
также количества образовавшейся трехокиси серы, мы получим следую-
щие данные:
Температура 400° 500° 600° 700° 800° 900э
Объемные проценты SO3 97,0 88,5 68,2 41,5 22,3 12,1
» » SO2 2,0 7,7 21,2 39,0 51,8 58,6
» » О2 1,0 3,8 3,8 19,5 25,9 29,3
температуры, при
прочих
Из этих чисел видно, что при повышении
равных условиях, выход трехокиси серы убывает и что, следовательно, рав-
новесие передвигается в сторону исходных веществ — двуокиси серы и ки-
слорода. Это для нас станет понятным и без всякого опыта, если мы рас-
смотрим соотношение энергии при образовании и при распаде трехокиси
серы. Как уже было указано, образование трехокиси серы представляет
собой окислительный процесс и вместе с тем экзотермическую, выделяющую
энергию реакцию
2SO2-|-O2—> 2SO3-|-теплота (экзотермическая реакция).
С другой стороны, для разложения трехокиси серы на ее исходные
вещества необходимо затратить такое же количество теплоты; в этом слу-
чае будет протекать эндотермический процесс, который мы можем записать
в виде следующего уравнения:
25О3+теплота—* 2SO24-O2 (эндотермическая реакция).
И в этом случае мы можем объединить оба уравнения в одно уравнение:
2SO2-j-O2Z~* 2SO3-j-теплота.
эндотерм
Мы здесь имеем дело с двумя реакциями, протекающими в противо-
положных направлениях, причем одна из них нуждается для своего осу-
ществления в притоке энергии (разложение трехокиси серы), а другая,
наоборот, в процессе своего осуществления выделяет тепло (образование
230,
трехокиси серы). Ясно, что при притоке теплоты, т. е. при повышении
температуры, преимущество будет иметь эндотермическая реакция, меж-
ду тем как при низких температурах будет доминировать экзотермиче-
ская реакция. Если мы будем окислять двуокись серы до трехокиси серы
и позаботимся о том, чтобы выделяющееся при этом количество теплоты
не было уведено, то с повышением температуры увеличится и распад
трехокиси серы, причем, разумеется, снова часть тепловой энергии бу-
дет на это затрачена, пока, наконец, при определенной температуре не
установится равновесие между двуокисью серы и трехокисью серы. При
повышении температуры будет распадаться большее количество трехокиси
серы, при понижении температуры будет, наоборот, образовываться боль-
шее количество трехокиси серы до тех пор, пока не установится новое по-
ложение равновесия.
В качестве практического следствия из всего сказанного при контакт-
ном методе приходится подбирать или низкую температуру, может быть
0°, или еще более низкую, ибо, ведь мы уже видели, что низкая темпера-
тура повышает выход ожидаемой трехокиси серы. Правда, при этом равно-
весие почти полностью сдвигается в сторону образования трехокиси серы,
однако от температуры будет зависеть, кроме того, и еще и другой резуль-
тат, а именно — скорость реакции. Эта скорость также понижается при
понижении температуры. Таким образом, придется температуру повышать
до такой степени, чтобы образование трехокиси серы протекало с достаточ-
но большой скоростью и чтобы катализатор мог проявлять свое действие.
С другой стороны, не должна быть превзойдена определенная максималь-
ная температура, ибо в этом случае разложение будет обнаруживать слиш-
ком сильное повышение, и выход сильно понизится. В таких случаях не-
обходимо пойти на некоторый компромисс между достижением благоприят-
ного выхода и установлением достаточно большой скорости реакции.
Но положение равновесия зависит не только от температуры. Столь
же существенной для него является и концентрация. Мы уже познакоми-
лись при обсуждении скорости реакции с тем, что она при повышении кон-
центрации хотя бы одного из участников реакции возрастает, так как в этом
случае повышается вероятность столкновения, а потому и вероятность
наступления реакции. Следовательно, если концентрация двуокиси серы
или кислорода будет повышена, то возрастет и скорость образования трех-
окиси серы и тем самым положение равновесия сдвинется в уравнении
в правую сторону. Однако чем больше образуется трехокиси серы, тем
больше будет в результате повышения концентрации и скорость ее распа-
да; с другой стороны, при образовании трехокиси серы концентрации дву-
окиси серы и кислорода будут непрерывно понижаться, а вместе с ними
будет понижаться и скорость реакции образования трехокиси серы.
В конце концов скорости образования и разложения трехокиси серы ста-
нут равными, установится равновесие.
Смещение равновесия в сторону полного осуществления реакции обык-
новенно может быть достигнуто тем, что конечные продукты реакции тот-
час же удаляют из сферы реакции и поддерживают концентрацию этих ко-
231
нечных продуктов всегда на столь низком уровне, что обратная реакция
не может осуществляться.
При получении трехокиси серы исходные вещества продувают над го-
рячим катализатором, а образовавшуюся трехокись серы тотчас же удаляют
из горячей зоны, в которой имеется опасность разложения этих веществ.
Вспомним также реакцию восстановления, например, протекающую
до конца только в одном направлении — реакцию взаимодействия между
закисью железа и водородом. При пропускании водорода над нагретой
закисью железа образуется металлическое железо:
FeO+H2-*Fe-t-H2O. (1)
При этом выделяется вода в виде пара. Возможно было бы и обратное
течение этой реакции, а именно — окислительный процесс, окисление
нагретого железа парами воды:
Fe+H2O-FeO+H2. (2)
В то время как в первом случае концентрация водорода очень высока,
образующаяся вода тотчас же увлекается избыточным водородом и уводит-
ся из сферы реакции,— при реакции, выраженной уравнением (2), мы встре-
чаемся как раз с противоположным положением дела. В этом случае водя-
ной пар пропускается в избытке над раскаленным железом, в то время как
с другой стороны образующийся водород не может вступать в реакцию, вы-
раженную уравнением (1), так как он на этот раз уносится струей водо-
рода, находящегося в избытке. На этом примере мы, следовательно, мо-
жем видеть очень ясно, что направление, по которому потечет реакция,
может в значительной степени испытывать влияние со стороны характера
проведения этой реакции.
Рис. 116. Направление обратимой реакции в зависимости от концентрации
реагирующих веществ.
Приведем еще один пример. Опыт показывает, что угольная кислота
вытесняется из ее солей — карбонатов более сильными кислотами, напри-
мер серной или соляной кислотой. Рассмотрим, например, реакцию серной
кислоты с карбонатом натрия:
Na2CO3H- H2SO4 Na2SO4+H2CO3
I
нго-ьсо..
232
В данном случае реакция практически проходит только в смысле стрел-
ки, указывающей направо, так как угольная кислота в момент ее образо-
вания тотчас же разлагается, частично улетучивается в виде газообраз-
ной двуокиси углерода и поэтому вообще уже не имеет возможности ока-
зывать действие в смысле нижней стрелки на одновременно образующий-
ся сульфат натрия. Концентрация свободной угольной кислоты при этой
реакции практически всегда равна нулю; такова же и скорость обратной
реакции взаимодействия с сульфатом натрия.
Наконец, рассмотрим еще давление, которое играет существенную роль
при газовых реакциях. Уже ранее было сказано, что увеличение давления
имеет своим результатом повышение концентрации и вместе с тем также и
повышение скорости реакции. Какое действие это окажет на положение
равновесия?
Имея дело с двумя газами, которые взаимодействуют с образованием
одного или нескольких также газообразных продуктов, мы можем себе
представить три возможности:
1) Исходные газы занимают больший объем сравнительно с продук-
тами реакции.
2) Исходные вещества занимают объем, равный объему конечных про-
дуктов.
3) Исходные газы занимают меньший объем по сравнению с объемом
газообразных продуктов, образующихся во время реакции.
Если мы повысим давление в нашем реакционном сосуде, то это
давление в случае 2 будет показывать одинаковое действие как на
исходные, так и на конечные газообразные продукты. Это означает по-
вышение скорости реакции. Обычно при этом скорость образования соеди-
нения будет повышаться одинаково со скоростью разложения, т. е. в этом
случае изменение давления не приведет ни к какому смещению равно-
весия.
Обратимся теперь к пункту 1, технически важнейшему случаю. При
повышении давления это повышение будет оказывать большее действие
на исходные газы, занимающие больший объем,чем на образующиеся после
реакции газы, ибо последние занимают лишь часть первоначального объе-
ма. Повышение давления поведет поэтому также к более высокой кон-
центрации исходных веществ по сравнению с концентрацией конечных
продуктов: скорость процесса соединения будет больше, чем скорость ре-
акции разложения, и равновесие окажется смещенным в сторону образова-
ния новых продуктов. Чем более высокое давление будет применено, тем
больше будет достигнутый выход. На примере чрезвычайно важного син-
теза аммиака мы познакомимся с весьма типическим случаем такой реакции.
Обратимся, наконец, к случаю 3. В этом случае повышение давления бу-
дет проявляться как раз в противоположном смысле, чем только что опи-
санный случай; разложение конечного продукта получит более благо-
приятные условия, выход понизится. При техническом проведении такой
реакции необходимо, следовательно, обеспечить возможно более низкое
давление.
А катализатор? Его действие способствует значительному повышению
скорости и быстрому установлению равновесия, однако оно совсем не сдви-
гает равновесия.
Влияние на равновесие внешних воздействий, например температуры,
давления и концентрации, было установлено еще в 1884 году французским
ученым Л е-Ш ателье и позднее подробнее изучено Брауном. Эти
выводы были обобщены в так называемом «принципе наименьшего при-
нуждения», который гласит: «Если на систему, находящуюся в состоянии
равновесия, производится какое-нибудь внешнее воздействие («принужде-
ние»), например, путем изменения концентрации, температуры или давле-
ния, то система уклоняется от подчинения этому воздействию и притом в
смысле, противоположном этому воздействию».
Приведем некоторые примеры, поясняющие этот принцип. Повышение
концентрации исходного вещества способствует повышению образования
конечного продукта, причем исходное вещество расходуется и концент-
рация его понижается. Применение этого вывода в технике можно, на-
пример, наблюдать при производстве серной кислоты — трехокиси серы.
Ввиду того что воздушный кислород не стоит ничего и, с другой стороны,
ввиду желательности полного использования ценной двуокиси серы, сле-
дует работать с избытком кислорода, благодаря чему равновесие сдвинется
в сторону образования трехокиси серы.
Однако продолжим наши рассуждения далее. Повышение давления
способствует течению такой реакции, которая имеет своим результатом
понижение объема. Так, лед, занимающий больший объем, чем одинаковое
с ним весовое количество воды, отличается меньшим удельным весом,
чем вода, и поэтому всплывает на ее поверхность. Если на лед ока-
зывать давление, то его рыхлая структура будет переходить в более плот-
ную структуру жидкой воды, и он будет плавиться уже при более низкой
температуре, чем 0°. При этом лед в известном смысле будет стараться ук-
лониться от внешнего давления путем своего уплотнения при переходе его
в жидкую воду. На этом основана возможность для нас зимой кататься на
коньках. Вес нашего тела опирается на два узких лезвия коньков, которые
благодаря этому оказывают значительное давление на лед. Вследствие этого
давления происходит местное плавление льда, и под лезвиями коньков
образуется тонкий слой воды, по которому конькобежец и скользит сво-
бодно, и который после прекращения давления снова застывает с образо-
ванием твердого льда. Разумеется, и здесь температура играет важную
роль, ибо чем она ниже, тем больше должно быть и давление. При весьма
низкой температуре производимое давление становится уже недостаточным
для того, чтобы вызывать появление этого «слоя смазки», и мы уже не ис-
пытываем такого удовольствия при катании на коньках, ибо лед становит-
ся слишком твердым.
Обратимся к рассмотрению условий температуры. Согласно принципу
наименьшего принуждения повышение температуры благоприятствует та-
кой реакции, которая поглощает теплоту. Чем выше температура, тем уси-
леннее протекает эндотермическое разложение трехокиси серы, как уже
234
было отмечено выше. Таким образом, принцип наименьшего принужде-
ния по существу не утверждает ничего нового и к тому же его формулиров-
ку нельзя назвать особенно удачной. Мы из этой формулировки узнаем,
что смесь веществ обнаруживает стремление избегнуть действия внешнего
принуждения, и у нас легко может составиться впечатление, что эти ве-
щества как будто бы обладают какой-то волей и как будто они могут ска-
зать: «Мы подвергаемся принуждению и должны поэтому реагировать на
это принуждение таким образом, чтобы как-нибудь уклониться от его дей-
ствия». Конечно, дело не обстоит таким образом. Вещества в определенных
условиях должны неизбежно реагировать на это «принуждение» именно
в указанном направлении, ибо всякая другая реакция на это принуждение
является невозможной. Рассматривая влияние температуры, давления и
концентрации на положение равновесия, мы научились определять причину
этого влияния.
Усвоив все изложенное выше, мы видим, что установление закона дей-
ствия масс представляет собой дело само собой разумеющееся; он просто
вытекает из существующих условий и не представляет для понимания ка-
ких-либо затруднений. Этот закон в сущности только выражает в крат-
кой математической форме все то, что нам известно относительно зависи-
мости равновесия от разных условий, причем особое внимание обращает
на концентрацию.
В сущности говоря, название «закон действия масс» является несколь-
ко устаревшим. Когда этот закон был установлен шведскими химиками
Гульдбергом и Вааге, концентрацию обозначали термином
«действующая масса». В настоящее время этот термин уже более не яв-
ляется употребительным и правильнее было бы говорить о «законе дейст-
вия концентрации».
Представим себе в самом общем случае реакцию между двумя вещест-
вами А п В, которая протекает с образованием веществ С и D, как это вы-
ражено уравнением:
A+B7ZC+D.
V2
Как мы знаем, при этой реакции в конце концов должно установиться
равновесие, которое обозначается направленными в противоположные
стороны стрелками. Мы различаем в этой реакции две скорости: скорость
реакции соединения и скорость реакции разложения v2. Скорость реак-
ции соединения будет находиться в зависимости от концентрации ве-
ществ Я и В и, кроме того, от температуры, давления, катализатора
и т. д. Однако все прочие условия, кроме концентрации, мы будем поддер-
живать на постоянном уровне и будем их принимать за постоянную вели-
чину. Таким образом, переменной величиной остается только концентра-
ция, которую мы будем для каждого вещества обозначать таким образом,
что заключим формулу этого вещества в прямые скобки. Тогда для ско-
рости реакции соединения мы сможем написать следующее уравнение:
V1 = kr[A]AB].
235
Скорость реакции соединения находится в зависимости от произведе-
ния обеих концентраций и от постоянного множителя Klt который объеди-
няет в себе все прочие факторы, влияющие на положение равновесия.
Соответственно скорость разложения будет равна v2. Если мы вы-
разим в этом случае все значения для температуры, давления и катализа-
тора через постоянную величину к2, то в качестве переменной величины
останется только концентрация образующихся веществ С и D. Для ско-
рости реакции разложения мы сможем записать следующее уравнение:
y2=fc2-[С] •[/)].
При достижении равновесия будет образовываться столько же молекул
Си/), сколько их будет в то же время разлагаться. Поэтому скорость об-
разования молекул должна сделаться равной скорости их разложения,
т. е.
k^AB^k^C^D].
Перенеся постоянные величины в одну сторону, получим:
ИНВ]
[С] •[£] ’
Наконец, частное от деления одной постоянной к2 на другую постоянную
будет представлять собой новую постоянную же величину К»
Выражая словами это уравнение, можно дать ему следующую форму-
лировку: при прочих постоянных условиях положение равновесия нахо-
дится в зависимости от произведений концентрации исходных и конечных
веществ.
Но какого результата можно ожидать от изменения при прочих рав-
ных условиях концентрации, например, вещества А?
п . И]-[В] о . п
Дробь - - — должна оставаться по своей величине постоянной. При
увеличении благодаря повышению концентрации вещества А числителя
дроби, второй множитель числителя, т. е. В, должен уменьшиться и при
этом должен увеличиться знаменатель, т. е. концентрация конечных про-
дуктов, причем это будет происходить до тех пор, пока величина дроби
снова не достигнет величины константы К. К тому же выводу мы уже при-
шли и раньше.
Закон действия масс может быть применен только в тех случаях, когда
все вещества присутствуют в одной фазе, например, когда все они газооб-
разны или присутствуют в виде ионов.Первый случай мы имели при рав-
новесии трехокиси серы с двуокисью серы; для этого случая попробуем
выразить в виде формул закон действия масс.
Запишем уравнение:
2SO2+O2ZL 2SO3
236
или равнозначащее уравнение:
SO24-SO2+O27X SO3+SO3.
^2
Если мы применим эти уравнения для выражения закона действия
масс, то получим:
Скорость реакции соединения
y1 = fc1-[SO2b[SO2b[O2] или
Скорость реакции разложения соединения
y2=fc2-[SO3b[SO3] или
v2 = к2 • [SO3]2.
В момент достижения равновесия = t>2, а следовательно,
fci-[SO2]24O2] = fc2-[SO3]2 и далее:
„ [SO2]2-[О2]
к. iso3p •
Мы видим, что число молекул, т. е. коэффициенты в формулах 2SO2 или
2SO3 появляются в уравнении закона действия масс в виде показателей
степеней.
При повышении (с сохранением температуры и давления) концентра-
ции кислорода концентрация двуокиси серы должна будет понизиться,
а концентрация трехокиси серы повыситься, если константа К также долж-
на оставаться неизменной. Повышение концентрации кислорода, следова-
тельно, поведет к полному использованию ценной двуокиси серы, а по-
этому и к лучшему выходу трехокиси серы.
Закон действия массы мы можем применять также и к ионным реак-
циям. Так, например, поваренная соль распадается в воде на ион натрия
и ион хлора:
NaCl ZlNa+ + Cl-.
И в этом случае устанавливается равновесие, хотя при достаточном коли-
честве воды это равновесие и сдвинуто в формуле очень далеко в правую
сторону. Мы можем для закона действия масс записать для этой реакции
следующее уравнение:
v1=k1 -[NaCl] и p2=fc2-[Na+]-[Cl-],
а при = v2, т. е. при достижении равновесия:
/с2 [NaCl]
ki [Na+] [Cl—J
Что случится, если концентрированный раствор поваренной соли бу-
дет еще более обогащен содержанием ионов хлора путем приливания
237
к нему соляной кислоты, которая ведь диссоциирует с образованием ионов
водорода и ионов хлора? Благодаря добавлению этой кислоты концент-
рация ионов хлора в нашем уравнении повысится и, так как дробь должна
сохранять неизменно одну и ту же величину, то следствием такого добавле-
ния соляной кислоты явится то, что концентрация ионов натрия станет
меньше, а концентрация недиссоциированных молекул повысится. Таким
образом, в этом случае будет образовываться дополнительное количество
недиссоциированных молекул поваренной соли, т. е. при приливании до-
полнительного количества ионов хлора в виде соляной кислоты из прозрач-
ного раствора поваренной соли будет выпадать белая твердая соль. Этот
опыт легко повторить, и он подтверждает наше предсказание. Мы будем
часто встречать примеры осуществления закона действия масс и на кон-
кретных примерах убедимся в том, что для нас сейчас еще пока не представ-
ляется вполне понятным, а именно, что закон действия масс оказывает хими-
ку громадную помощь, ибо благодаря этому закону химик может понимать
механизм течения химических реакций и, с другой стороны, может легче,
а иногда быстрее достигнуть своей цели при разработке новых методов.
СОЛЬ СТАНОВИТСЯ ХЛЕБОМ
Утро одного из солнечных дней 1790 года предвещало особенно пре-
красную погоду на целый день. Долины еще были окутаны тонким утрен-
ним туманом, травы покрыты росинками и сверкали, как будто бы они
были осыпаны бесчисленными алмазами. Но все теплее и теплее станови-
лись лучи восходившего солнца. Скоро они положат конец этому свер-
кающему великолепию алмазных лучей.
Легкий ветер колышет золотые колосья пшеничного поля, перед ко-
торыми как раз и остановился землепашец, прогуливаясь в праздничный
день. Из соседней деревни раздается веселый детский смех, сливаясь со
звоном церковного колокола. Это картина мирной деревенской жизни,
рисующая веселую и бодрую жизнь человека. Но серьезным и озабочен-
ным делается выражение лица землепашца при взгляде на колосья, кото-
рых он касается своими руками. Лишь немного мелких зерен содержится
в каждом колосе. Видно снова урожай будет посредственным, хотя в теку-
щем году и выпадали обильные дожди, да и солнце добросовестно делало
свое дело. Но земля просто не может больше давать урожая. Из года в год
ее плодородие падает, и урожай становится год от года все беднее и беднее.
Действительно, уже издавна известны причины, в силу которых зем-
ля после длительного ее использования истощается, однако на протяжении
многих столетий применяется еще старый, перешедший от предков способ
повышения урожаев — трехпольная система. Вся пахотная земля разде-
ляется на три части. На одной трети засевается озимь, вторая треть пред-
назначена для яровых и третья часть — «пар» — остается незасеянной и
«отдыхает». В этот период той скудной травянистой растительности, кото-
рая произрастает на последней трети всей пахотной земли, едва мо-
жет хватить, чтобы прокормить нескольких овец или коз, пасущихся на
238
ней. Ежегодно землю под паром сменяют, а на следующий год засевают
ее. И все же поле становится все менее и менее плодородным, быть может,
именно потому, что оно в течение слишком многих лет давало урожаи.
Уже в течение столетий односельчане нашего землепашца обрабатывали
этот клочок земли.
Вдруг землепашец вспоминает о полоске лесной земли, которую он
выкорчевал лет двадцать тому назад. Какой восхитительный урожай он
получал с этой полоски! На этой пашне он в первые годы снял урожай, ко-
торого не снимал с других участков при самом обильном их удобрении. Од-
нако потом и этот участок становился все менее и менее плодородным. Ах
эти удобрения! Откуда же ему взять необходимые количества навоза, когда
его скотина исхудала и истощена именно потому, что земля не дает ей до-
статочного количества корма. С другой стороны, как может земля давать
достаточно урожая, если она не получает необходимого количества удо-
брений? Создается порочный круг, который как будто бы никак не может
быть разрешен.
Однако, как это вышло с лесной полоской земли? Ведь ее никто ни-
когда не удобрял и все же на ней испокон веков произрастали деревья и ку-
старники. Почему же на ней не понижалось плодородие так, как оно
понижается на пашне? Внезапно в сознании нашего земледельца проно-
сится мысль: «Лесная почва удобряет сама себя! Правда, и на ней непре-
рывно из года в год произрастают растения, однако все питательные ве-
щества, которые эти растения извлекают в процессе своего роста из почвы,
они возвращают ей обратно при своем отмирании. Ведь лесные растения не
убираются человеком из года в год в закрома, как это происходит с зерном.
Кроме того, большую часть зерна отвозят в города, а вместе с ним с пашни
уходят в города и те питательные вещества, которые растения поглотили
из почвы при своем произрастании, и лишь в весьма ничтожной доле они
возвращаются обратно в почву. Не удивительно поэтому, что пашни ис-
тощаются и что урожай поэтому становится все меньше и меньше. Но
куда это все может нас привести? Население все время непрерывно уве-
личивается, между тем как урожаи становятся из года в год беднее. Не
приведет ли это несоответствие в будущем к страшной катастрофе? Уже
все чаще и чаще стучится голод в дверь; 1709, 1740, 1771 и 1772 годы
были годами, в течение которых жестокий голод охватывал значительные
области, и промежутки между этими периодами голода становились с те-
чением времени все меньшими и меньшими.
И в далеко минувшие времена людям были знакомы такие беды. Однако
в те времена выход в таких случаях находился проще. Тогда на свете
было достаточно необработанных земель. Все племя собирало свои по-
житки и переселялось в какую-нибудь другую область, которая снова
давала этому племени достаточное количество пищи. Люди овладевали но-
вой землей, применяя, когда это было необходимо, и силу для их за-
хвата. Большинство великих переселений народов происходило из ставших
бесплодными, опустошенных территорий по направлению к плодородным
землям. Но с течением времени произошли и другие события. Европа
239
была разделена на небольшие страны, и каждый небольшой участок ее
земли был заселен. Оставался один только путь — далекая Америка.
И одно ее имя внушало ужас земледельцу, сросшемуся со своим участком
земли. Но должно ли дальше так быть? Должно ли так дальше оставаться?
Земледелец Европы тщетно искал ответа на этот вопрос.
Наш немецкий землепашец был не единственным, кто задумывался
над вопросами своего пропитания. Вопрос о несоответствии между уро-
жаями и непрерывно возраставшим народонаселением повелительно тре-
бовал своего разрешения. В Англии Мальтус думал, что он нашел вы-
ход из этого положения. Он в конце XVIII века одной из опубликован-
ных им статей вызвал большое волнение во всем мире. Смысл его выводов
можно было формулировать приблизительно в следующих словах. Раз на
свете живет слишком много людей и имеется слишком мало пищи для них
или, что еще хуже, раз народонаселение земли возрастает значительно
быстрее, чем урожаи, то необходимо уменьшить число людей на земле.
Но так как уже родившиеся люди все же существуют на Земле и с трудом
могут быть устранены из жизни, то необходимо обратить внимание на рож-
даемость людей и позаботиться о том, чтобы рождаемость населения нико-
гда не превышала определенных допустимых предельных чисел. Другими
словами: только ограничение рождаемости может снова привести к здоро-
вому соотношению между имеющимся количеством пищевых продуктов
и числом людей. Но такая точка зрения Мальтуса основана на глубоком
презрении к человеку и, кроме того, она была с несомненностью опроверг-
нута фактами науки. И все же она еще и поныне часто служит реакцион-
ным кругам средством сокрытия их истинных целей.
С другой стороны, были предприняты попытки каким-нибудь способом
повысить плодородие почвы. Вообще можно считать установленным, что
имеющиеся в распоряжении людей количества естественных удобрений не
могут быть достаточными и что необходимо усилить старания достигнуть
увеличения запасов удобрений. Но откуда же достать эти недостающие
количества удобрений? Для этого были предложены самые безумные
пути.
В качестве удобрений предлагалось применять тряпки, волосы и от-
бросы. Один глубокомысленный проповедник предложил подражать древ-
ним римлянам и хоронить трупы на пахотных землях: «Пусть же те, которые
в течение всей своей жизни не сделали ничего полезного, хотя бы после
своей смерти послужили чем-нибудь человечеству». Пробовали удобрять
землю известковым мергелем. При последнем способе удобрения сначала
дело шло неплохо: урожаи оказывались роскошными. Однако таким пу-
тем нисколько не увеличивался запас питательных веществ для растений
в почве: улучшилась только структура почвы и благодаря этому вещества,
имевшиеся в почве в наличии, становились более доступными для усвоения
растениями. Подобно тому как человек, приняв возбуждающие ядовитые
вещества, исчерпывает свои последние силы и затем погибает уже совер-
шенно обессиленный, так происходило и в этом случае с почвами. Через
несколько лет почва после этого уже совсем неспособна была давать ка-
240
кой-либо урожай. «Мергель делает богатыми отцов, но бедными сыновей» —
так гласит народная мудрость.
Однако в этом деле были и некоторые успехи. В городе Целле жил
в начале XIX века один врач по имени Т а е р. В свободное время его
часто можно было видеть в саду, в котором он находил для себя необ-
ходимый отдых. Он был весьма дельным врачом и не в меньшей степени
проявил себя и в качестве искусного садовода. К этому занятию он отно-
сился очень серьезно, добывал себе соответствующие учебники и усердно
их изучал. Заинтересовавшись статьями, содержание которых касалось
вопросов, связанных с развитием весьма высоко стоявшего в то время анг-
лийского сельского хозяйства, он приступил сам к постановке опытов в
своем саду. Он не ограничился садом, скоро приобрел за городом участок
земли и к концу своей жизни завел на этом участке весьма приличное
сельское хозяйство. И в этом деле он имел успех. Опыты привели его к
отрицанию расточительного трехпольного хозяйства, которое ведь остав-
ляет неиспользованным третью часть земли в виде участка, находящегося
под паром. Таеру удалось показать, что весь участок земли может
быть использован полностью, без ущерба для общего плодородия.
Для этого только необходимо позаботиться о правильном и плано-
мерном севообороте при обработке этого участка. Так, если в данном году
был собран урожай ярового посева, то в следующем году на том же самом
участке следует сеять корнеплоды, затем в следующем году — озимые
хлеба и, наконец, на четвертый год — клевер. Никогда на том же участке
не следует сеять два года подряд злаки. Путем севооборота почва исполь-
зуется равномернее и не проявляет в сильной степени явлений «усталости».
Учение Таера о севообороте знаменовало собой конец трехполь-
ного хозяйства. Отказ от пара имел своим следствием увеличение площа-
ди посевов на одну треть. Однако окончательного решения вопроса эти
перемены не давали. Скоро выяснилось, что таким путем увеличивается,
правда, площадь посевов, но никоим образом не устраняется истощение
почвы. Это истощение может быть таким путем только отсрочено.
* *
*
Для того чтобы построить машину, необходимо затратить железо и
сталь, необходимо иметь строительные материалы, из которых можно из-
готовить все разнообразные детали этой машины, и которые, будучи смон-
тированы вместе, образуют всю машину. Необходимо далее, чтобы во всякое
время находились в наличии запасные детали, которыми можно было бы
заменить части машины, пришедшие в негодность. Однако всего этого еще
недостаточно. Не менее важным для действия машины является и топливо.
Без бензина для нас бесполезным будет прекраснейший автомобильный
мотор, без угля не имеет никакой цены самая сильная паровая машина.
Лишь тогда, когда одновременно имеются как материалы для конструк-
16 3. Шпаусус
241
ции машины, так и топливо, могут быть приведены в движение многочис-
ленные колеса в производстве.
В известной степени аналогично обстоит дело и в живых организмах.
Все они, как растения, так и животные, нуждаются в материалах для их
построения и в топливе; и то и другое они поглощают в виде питательных
веществ. Структурные материалы идут на образование веществ, из которых
состоят их тела, и на замену этих веществ в случае их расхода, а топливо
доставляет при его сгорании внутри организма ту энергию, которая необ-
ходима для поддержания жизнедеятельности живого существа.
Откуда живые существа черпают свою пищу? Все животные, а также
и человек питаются материалами либо растительного, либо животного
происхождения, причем животные в конечном счете также зависят в своем
питании от использования растительных организмов. Поэтому вопрос о том,
откуда именно растения берут свое питание, принадлежит к вопросам ве-
личайшего значения.
Уже давно над этим вопросом задумывались лучшие исследователи.
Давно уже обращало на себя внимание то обстоятельство, что растение в
течение своей жизни произрастает из ничтожного зернышка семени до
своей нормальной величины и при этом обнаруживается громаднейший
привес. Аристотель считал, что растения поглощают из почвы не-
обходимые материалы для своего построения в их окончательной форме,
так что не встречается необходимости в каких-либо преобразованиях этих
материалов внутри их организма. В 1600 году В а н-Г е л ь м о н т своим
опытом, сделавшимся знаменитым, сумел доказать неправильность этих
предположений. Ван-Гельмонт отвесил в горшке 200 фунтов сухой земли
и воткнул в нее ветку вербы, вес которой был равен 5 фунтам. При обиль-
ной поливке водой эта ветвь проявляла себя как целая верба: она пустила
корни и на протяжении дальнейших пяти лет выросла в порядочное дерево
весом в 164 фунта. Особенно удивило Ван-Гельмонта то обстоятельство,
что земля при этом потеряла лишь 60 граммов своего первоначального
веса. Таким образом, земля никоим образом не могла быть признана един-
ственным поставщиком питательных материалов для растущего дерева, ибо
в этом случае 159 фунтов привеса ветки вербы должны были бы соответст-
вовать равновеликой убыли веса земли.
Вода, как известно, составляет существенную часть строительного ма-
териала растения. Воду земля поглощает и удерживает, однако вода, на-
ходящаяся в растении, вовсе не происходит непосредственно из земли.
Ингенгауз и де Соссюр в конце XV Ill века были учеными,
впервые разработавшими современную теорию питания растений, со-
гласно которой растения поглощают двуокись углерода из воздуха, что и
имеет своим результатом более значительное увеличение веса сухого веще-
ства растений, чем этого можно было бы ожидать на основании количеств
фактически поглощенной ими двуокиси углерода. Поэтому приходится
допустить, что из двуокиси углерода и воды образуется новое органиче-
ское вещество. Названные ученые уже в то время считали, что необходи-
мо и присутствие в почве некоторых солей.
242
Рис. 117. Опыт Ван-Гельмонта (1566—1644).
справедливости никто и не сомневался.
Как бы своевременны и правильны во многих отношениях ни были эти
выводы, они все же оказались забытыми в начале XIX века и были заме-
нены гумусовой теорией, которая главным образом восходит к Таеру, быв-
шему ее наиболее усердным защитником.
Точка зрения Таера заключалась в том, что плодородие почвы, по его
мнению, зависит исключительно от гумуса, ибо, кроме воды, гумус яв-
ляется единственным источником, снабжающим растения питательными
материалами. Согласно этому взгляду гумус, эта рыхлая темная земля,
которую каждый сельский хозяин и садовник ценит особенно высоко за
ее высокие качества, является источником плодородия почвы. В гумусе
содержится много углерода —
главной составной части всех
растений; в гумусе содержатся,
по мнению защитников гумусо-
вой теории, все необходимые
для жизни растений вещества
в уже подготовленной форме.
Соли, которые, кроме того, мо-
гут быть обнаружены в расте-
ниях, не являются, по мнению
сторонников теории, особенно
важными, так что относительно
их происхождения и значения
не стоило особенно задумывать-
ся. Гумус и вода — вот источ-
ники питания растений.
Это учение было так понят-
но и убедительно, что в тече-
ние длительного времени в его
Один из тех, кто все же усомнился в нем, был молодой профессор химии
Юстус Либих. Опираясь на собранные прежде факты и вместе
с тем на результаты своих работ, Ю. Либих положил начало новой
эпохе в сельском хозяйстве.
Является ли гумус действительно единственным питательным вещест-
вом для растений? Не имеется ли многих оснований для признания этого
допущения невероятным? Действительно, гумус содержит углерод, это мо-
жет легко доказать любой химик, но все же в нем содержится углерода не
столько, сколько необходимо большим деревьям для их роста. Кроме того,
было установлено, что, например, в лесах, т. е. в областях, которые в те-
чение длительного времени покрыты растительностью, содержание гумуса
в почве возрастает. Между тем согласно этой теории следовало бы ожи-
дать как раз противоположного результата, ибо ведь растения непрерывно
поглощают углерод.
Кроме того, в больших морях имеются многие водоросли, которые
вообще не имеют никакой связи с почвой: они своими корнями удер-
живаются на голых скалах и на камнях. И эти растения поглощают пи-
16*
243
тательные вещества и строят свой организм из соединений углерода, хотя
и не могут черпать их из гумуса, ибо такового в их распоряжении и не
имеется.
Необходимо обратить еще внимание и на следующее обстоятельство.
Всякое горение является с химической точки зрения окислением, а следо-
вательно, процессом, при котором кислород воздуха соединяется с дру-
гим веществом. При сжигании органических веществ, которые обязательно
Рис. 118. Юстус Либих (1803—1873).
содержат в своем составе углерод,
последний соединяется с кислородом,
образуя газообразную двуокись угле-
рода. Обыкновенно там, где горит
огонь, поглощается из воздуха ки-
слород и вместо него образуется дву-
окись углерода. В нашем теле также
постоянно протекают процессы окис-
ления. Мы вдыхаем кислород и выды-
хаем двуокись углерода. При процес-
сах гниения или тления растений и
животных протекает в сущности
медленный процесс горения, и в этих
случаях вещество организма также
превращается частично в двуокись
углерода.
Из всех этих примеров можно
сделать вывод, что с течением вре-
мени содержание кислорода в воз-
духе должно было бы убавиться, но
зато в нем все время должно было
бы понижаться содержание двуокиси
углерода. Однако этого факта не
удавалось нигде установить. Следо-
вательно, на свете должны существо-
вать организмы, которые, наоборот,
поглощают двуокись углерода и об-
разуют из нее кислород. Они, следовательно, и являются причиной того,
что в воздухе всегда сохраняется одно и то же соотношение между
содержащимися в нем кислородом и двуокисью углерода. Такими орга-
низмами являются, как мы теперь знаем, растения. Не из почвы они
поглощают углерод для своего построения, а из воздуха, точнее — из со-
держащейся в воздухе двуокиси углерода. Эта двуокись углерода прони-
кает через тонкие поры, так называемые устьица в листьях растений, где
она под влиянием лучей солнца и при содействии зеленого красящего ве-
щества листьев — хлорофилла взаимодействует с поступающей в расте-
ние через их корни водой и весьма сложным путем преобразуется в соеди-
нения, которые в конце концов и становятся материалами, служащими для
построения частей растительных организмов и для обмена веществ при их
244
жизнедеятельности. Неорганические вещества, а именно двуокись угле-
рода и вода, превращаются в организмах растений в органические веще-
ства. Этот процесс приобрел название «ассимиляции».
Отсюда можно сделать вывод, что углерод уже с тех пор, как на Земле
возникла жизнь, находится в непрерывном круговороте. Находясь в воздухе
в виде двуокиси углерода, он превращается в результате процесса ассими-
ляции в строительный материал растений. При горении последних, напри-
мер при сжигании дров, из углерода снова образуется двуокись углерода.
То же самое происходит и при отмирании и тлении растительных остатков.
Некоторая часть растений служит пищей животным или человеку и пре-
терпевает превращения еще внутри живот-
ных организмов. При дыхании часть со-
единений углерода также снова превраща-
ется в двуокись углерода и в качестве тако-
вой возвращается в атмосферу, между тем
как остающийся в организме животного
химически связанный углерод возвра-
щается в виде двуокиси углерода в атмо-
сферу лишь при гниении погибшего живот-
ного. Таким образом, в природе происхо-
дит непрерывный круговорот, из которого
мы могли бы, может быть, «мысленно устра-
нить» животных, но ни в коем случае
не растения, ибо только они способны
превращать двуокись углерода, содержа-
щуюся в воздухе, в органические соеди-
нения.
Рис. 119. Схема круговорота угле*
рода в природе.
Происхождение водорода и кислоро-
да, входящих в состав большинства органических соединений, объяснить
очень легко: стоит только вспомнить, что оба эти элемента входят в состав
воды.
Однако чем же в таком случае объясняется понижение урожаев?
Двуокись углерода ведь всегда содержится в воздухе в неизменном коли-
честве, да и вода в природе имеется в изобилии. Почему же плодородие-
земли повышается в результате внесения в нее удобрений? По-видимому,
должен существовать какой-то фактор, который в нашем рассмотрении
мы пока оставляли без внимания и который к тому же представляет громад-
нейшее значение для роста растений. Таким фактором являются содержа-
щиеся в почве и необходимые для жизни растений минеральные соли.
«Вот что я Вам скажу, коллега: я снова убеждаюсь, в том, что передо
мной лежит самая бесстыдная книга из всех, которые когда-либо попадали
ко мне в руки. Знакомы ли Вы, собственно говоря, с ее содержанием?» —
с таким раздражением оценивал фон Моль, профессор Тюбингенского
университета, лежавшую перед ним книгу «Органическая химия в приме-
245
нении к земледелию и физиологии». Автором этой книги был профессор
химии Юстус Либих. «Действительно, этот господин выискивает
прямо-таки неслыханные обвинения против нас, ученых. Оставался бы он
лучше при своей химии, тогда, может быть, и сумел достигнуть чего-
нибудь полезного. Что же касается других областей знания, пусть он в
них лучше не сует своего носа. Иначе опять получится такая же чепуха,
какую мы находим в этой книге. Сего точки зрения, мы, физиологи, а также
и сельскохозяйственники никакого понятия не имеем о жизни и росте ра-
стений. Он думает, что сам больше разбирается в этих вопросах. Ока-
зывается, уже не земле растительный мир обязан своим питанием, нет, ра-
стения питаются воздухом, водой и так называемыми питательными солями,
которые они разыскивают в почве! Поразительно, как он еще находит хоть
какое-нибудь объяснение необходимости обработки земли. Но может быть
он придет даже к тому, что земля вовсе и не нужна земледельцу и что кре-
стьянин сможет выращивать свой хлеб в стеклянных сосудах. Вот, по-
смотрите, в этой газете он может прочитать единственно правильный ответ
на свою чепуху!»
Фон Моль протянул своему гостю газетную статью,в которой были по-
мещены два рисунка: «Некогда» и «Теперь». На рисунке «Некогда» был изо-
бражен крестьянин, выехавший в поле с возом, нагруженным навозом.
Второй рисунок изображал земледельца, прогуливающегося в празднич-
ном костюме по своим полям и извлекающего из жилетного кармана коро-
бочку с удобрительной солью, чтобы рассыпать эту соль на пашне.
«Воистину, по мнению господина Либиха, для наших крестьян насту-
пает золотой век. Достаточно им посыпать немного удобрительной соли,
чтобы достигнуть таких обильных урожаев, какие никогда до того не были
виданы».
Можно было заранее предвидеть волну протестов и оскорбительных
писем, которыми был осыпан Либих после появления его книги. Его идеи
были слишком новы и слишком широки для того, чтобы они могли быть
тотчас же восприняты во всем их значении. Во многих случаях, может
быть, дело объяснялось тем, что для некоторых ученых было очень обидно,
что химик, т. е. посторонний, неспециалист по вопросам земледелия, разби-
вал их отсталые и ложные взгляды и вместо них указывал правильный путь.
Однако скоро учение Либиха стало привлекать на свою сторону все
большее и большее число приверженцев. Карл Маркс с полным ува-
жением упоминает в своих сочинениях о его выводах, зато Фриц Р е fl-
те р в сочинении «Мой жизненный путь» («Ut mine Stromtid») проявляет к
нему скептицизм и, издеваясь над Либихом, пишет: «И эта эпоха ознаме-
новалась значительным развитием сельского хозяйства. Профессор Либих
выпустил для крестьян совершенно бессмысленную книгу. На ее страницах
кишели и сменяли друг друга многочисленные химические термины, как
например калий и селитра, сера и гипс, известь и нашатырный спирт, гид-
раты и гидрофосфаты и т. п. Можно было прямо-таки с ума сойти от этих
терминов. Однако тот, кто был готов остаться без гроша в кармане, выпол-
няя все советы, содержавшиеся в этой книге, и кто в то же время желал
246
сунуть свой нос в науку, тот приобретал себе эту книгу и сидел над ней
до тех пор, пока постепенно голова его не становилась одураченной ее со-
держанием. И когда он доходил до такого состояния, он начинал раздумы-
вать над тем, является ли гипс веществом раздражающим или питательным
(для клевера, а не для человека!) и воняет ли навоз вследствие выделения
из него нашатырного спирта или вследствие того, что он по самой своей
природе является вонючим веществом».
* *
*
Какое же новое учение было развито Либихом в его «бессмысленной
книге», «Сельскохозяйственной химии» («Agrikuitur Chemie»), как была
кратко названа эта выпущенная им в 1840 году книга? Прежде всего
он исследовал, из каких составных частей строит растение свой организм
и откуда оно добывает эти вещества. На основе многочисленных анализов
ему удалось установить, что в каждом растении присутствуют десять эле-
ментов, которые все имеют величайшее значение для его нормального
роста. Это следующие элементы: углерод, водород, кислород, азот, каль-
ций, калий, фосфор, сера, магний и железо. Добавим при этом, что в на-
стоящее время известен целый ряд элементов, присутствующих в растениях
лишь в виде следов, но тем не менее играющих важную роль в их жизне-
деятельности. Естественно, все эти вещества содержатся в организме расте-
ний не в той форме, в которой они известны в качестве химических элемен-
тов, но они являются составными частями соединений, из которых по-
строено растение. Откуда же растения получают эти вещества?
Мы уже видели, что углерод, поглощаемый листьями в виде двуокиси
углерода, поступает из атмосферы, в то время как вода поставляет расте-
нию водород и кислород. Но как обстоит дело с азотом, являющимся состав-
ной частью необходимых для жизни белков? Правда, в атмосфере азот со-
держится в колоссальном количестве, ибо она ведь на 78 % состоит из этого
элемента, но лишь немногие растения способны поглощать и использовать
этот элементарный азот из воздуха. К таким растениям относятся так на-
зываемые бобовые растения, в том числе бобы, горох и люпин. Легко убе-
диться в том, что в их корнях можно обнаружить клубеньки, скрывающие
внутри себя бактерии. Клубеньковые бактерии обладают способностью пе-
реводить воздушный азот в органические азотистые соединения, которые
затем могут усваиваться соответствующими растениями. Растение дает
возможность жить бактериям, а они за это готовят для своих хозяев до-
ступный для усваивания азот. Этот процесс взаимопомощи обозначают в
биологии как симбиоз.
Однако этот процесс представляет собой только исключение. Подав-
ляющее большинство растений должно черпать азотистые соединения
непосредственно из почвы, ибо они не могут усваивать непосредственно
воздушный азот. Либих был того мнения, что газообразного аммиака,
образующегося при гниении органических соединений и поэтому всегда
присутствующего в ничтожном количестве в атмосфере, вполне достаточно
для покрытия потребности растений в азоте. Аммиак растворяется
247
в каплях дождя, вступает во взаимодействие с двуокисью углерода с обра-
зованием карбоната аммония и в виде названной соли попадает в почву,
из которой он и может быть поглощен корнями растений.
Шесть остальных элементов содержатся в виде солей в почве. Будучи
растворены в воде, они могут проникать в растения через их корни.
Правда, они присутствуют в почве в ограниченном количестве, однако
животные и растения при распаде их остатков возвращают обратно
почве те соли, которые они получили из нее во время их роста. После этого
соли снова могут служить растениям питательными веществами.
Рис. 120. Клубеньки на корнях
бобовых растений.
На этом заканчивается круговорот, свя-
зывающий мертвую и живую природу. Расте-
ние берет из почвы и из воздуха неоргани-
ческие вещества и строит из них свой орга-
низм, состоящий из органических соединений.
Это растительное вещество составляет пищу
животных и человека и в физиологических
выделениях, а также после гибели в виде
трупов этих существ поступает в почву
и превращается в неорганические исходные
вещества. И при этом круговороте растениям
принадлежит главная роль, ибо только они
способны использовать неорганические стро-
ительные материалы.
Таким образом, десять элементов имеют
исключительно важное значение для жизни
растений. Если хотя бы один из них отсут-
ствует, то растение уже не может существо-
вать и умирает. Не поможет делу и присут-
ствие девяти остальных элементов даже в
изобилии. Плодородие почвы всегда зависит
от того элемента, который находится в почве
в минимальном количестве. Это — закон, ко-
торый имеет для практического сельского
хозяйства в высшей степени важное значение. Либих назвал этот закон
«законом минимума». При этом, однако, следует принимать во внимание,
что наряду с питательными солями существует еще и целый ряд других фак-
торов, как водяной режим почвы, температура и т. д., которые также ока-
зывают влияние на плодородие почвы.
После сказанного становится вполне понятным, какое значение имеет
почва. Не сама почва служит питательным веществом для растений, но она
содержит те вещества, которые необходимы для растений. И если господин
фон Моль потешался над тем, что в один прекрасный день растения будут
произрастать в стеклянных сосудах с водой без всякой почвы, то в настоя-
щее время это тем не менее уже осуществлено фактически в виде так назы-
ваемых водных культур. Если эти опыты и не преследуют цели обойтись
в будущем без почвы, то все же оказалось возможным выращивать расте-
248
ния в растворах, содержащих все необходимые для них питательные ве-
щества.
Гумус, который особенно богат содержанием истлевающих раститель-
ных остатков, содержит, следовательно, также весьма много питательных
веществ для растений и поэтому представляет собой также весьма плодо-
родную среду.
* *
*
Но как же тогда понять все более и более проявляющееся понижение
плодородия пахотных земель? В чем следует искать недостаток, нарушаю-
щий нормальное течение жизненного кругооборота? И на этот вопрос Ли-
биху удалось дать однозначный ответ. Если земледелец возвратит обратно
в почву в виде навоза все питательные
вещества, которые были извлечены из
почвы растениями, то содержание пита-
тельных солей в почве останется тем же
самым, и плодородие его участка не пони-
зится. Однако если он продаст часть своих
продуктов в город, то питательные соли
окажутся утраченными для его участка, и
в будущем году они уже не будут нахо-
диться в распоряжении произрастающих
на этом участке растений. При повторении
такого процесса из года в год урожаи
должны будут с каждым годом ухудшать-
ся. Такую форму хозяйства Либих на-
зывает «хищническим хозяйством» и с бес-
пощадной откровенностью оценивает тот рис 121
гибельный путь, на который становится в
этом случае сельское хозяйство. Неуто-
мимо он борется словом и пером с предубеждениями
«если сельскому хозяину не удается лучше уразуметь
«Круговорот жизни».
и с глупостью, ибо
свое дело и обеспе-
чить это дело средствами, необходимыми для его улучшения, то должен
наступить тот день, когда с естественной неизбежностью войны, пересе-
ления, голод и эпидемические болезни должны будут обусловить и урав-
новесить недостаток питания для людей, и это повлечет за собой нару-
шение благосостояния всего населения и в конце концов крушение всего
земледелия». Учение Либиха подводило к признанию необходимости
применения искусственного удобрения земледельческих культур мине-
ральными солями, которое в настоящее время уже является само собой
разумеющимся условием земледелия. Либих утверждал: «Основным
принципом земледелия следует считать требование, чтобы почве в полной
мере было возвращено все то, что у нее было взято. В какой форме будет
осуществлен этот возврат, в виде ли экскрементов животных или в виде
золы или костей,—это более или менее безразлично. Наступает время,
когда пашня и каждое растение будет обеспечено необходимым для него
249
удобрением, которое будет изготовляться на химических заводах». Эти
слова Либиха оправдались за истекшее время тысячу раз, но в его эпоху
они неоднократно служили поводом для издевательств и острот. Учение
Либиха в решающей степени послужило опровержением теории Мальтуса.
В настоящее время, когда стали известны подлинные причины убы-
вающего плодородия, уже
Питательный Дистил/троЗ*
раствор бода
Рис. 122. Водные культуры.
не составляет труда бороться с этим явлением.
Если для этого не хватает естественных
удобрений, необходимо для покрытия расхо-
дов питательных солей вносить в почву мине-
ральные удобрения, т. е. удобрительные соли
или туки. Так начинает Либих свои рассуж-
дения относительно производства своего «па-
тентного удобрения». Углерод, водород и ки-
слород растение добывает себе в достаточном
количестве естественным путем. Либих считал
возможным утверждать то же самое и отно-
сительно азота. В магнии, железе и сере расте-
ния нуждаются лишь в незначительной степе-
ни, и они имеются в почве в очень значи-
тельном количестве. Внесение кальциевых
удобрений не составляет больших затрудне-
ний, ибо известковые мергеля имеются в исклю-
чительном изобилии. Иначе обстоит дело с
калием и фосфором. В этом отношении пита-
тельные запасы почвы должны быть попол-
нены удобрительными солями. Оба этих
элемента содержатся и в «патентном удоб-
рении» Либиха.
Одна английская фирма взялась за произ-
водство этого удобрения в больших масшта-
бах. Оно приобреталось и применялось мно-
гими земледельцами. Оставалось только вы-
ждать успешных результатов, которые, по
мнению Либиха, должны были обязательно
проявиться. Однако скоро ему было сужде-
но пережить тяжелое разочарование. На полях, удобренных этими
солями, не было отмечено существенного повышения урожая. Либих
стоял перед загадкой. Неужели минеральные соли все же не влияют
никак на рост растений, неужели его учение ошибочно? Это были тяже-
лые времена, которые должны были пережить он сам и его сторон-
ники, ибо теперь вся общественность и в особенности крестьяне, которые
первоначально охотно приняли его учение, должны были перейти в лагерь
его противников. Впрочем, в этом не было ничего удивительного: разве
и раньше не выступали против его взглядов многие ученые?Однако теперь,
когда многие земледельцы уже потратились на покупку «патентного удоб-
рения», они имели возможность и сами убедиться в ошибочности воззрений
250
Либиха. Практический опыт говорил против Либиха, тот практический
опыт, который следует расценивать выше, чем печатные статьи, и против
которого и он сам, как естествоиспытатель, не может уже ничего возразить.
Либих был в отчаянии. Неужели же он допустил ошибку, неужели вся
его работа была напрасной? Л1ожет быть удобрения были неправильно при-
менены? За чертой города Гиссена Либих купил себе участок пустыря и
применил свое «патентное удобрение» сам в виде опыта. Однако и этот его
собственный опыт сначала не имел успеха. После этого уже можно было
утверждать, что его учению был нанесен смертельный удар, тем более, что
из Англии поступали известия, что его взгляды опровергаются еще и с Дру-
гой стороны. Там на некоторых угодьях было применено другое удобрение—
селитра, т. е. азотистое удобрение, и при этом были получены результаты,
свидетельствующие, что на этих участках был собран значительно лучший
урожай. А между тем как раз относительно азота Либих утверждал, что
его растения получают в достаточном количестве из воздуха и что поэтому
азотистые удобрения являются совершенно излишними. Не «патентное
удобрение» Либиха, а «азотное удобрение» — таков был отныне пароль»
к которому примкнуло большинство.
* *
*
Много лет прошло, прежде чем Либих понял причину неуспеха свое-
го удобрения и прежде чем он открыто признал свою ошибку. При произ-
водстве «патентного удобрения» он поставил остроумнейшие опыты, доби-
ваясь переведения своих калийных и фосфорных удобрений в форму не-
растворимых в воде соединений. Он имел в виду таким путем избежать то-
го, чтобы его удобрительные соли уже при первом же дожде вымывались
из почвы в более глубокие ее слои. Однако это была совершенно излиш-
няя, ошибочная мера предосторожности. Либиху пришлось убедиться,
что в природе дело происходит совершенно иначе. Правда, почва очень
легко проницаема для воды, однако она обладает способностью удержи-
вать растворенные в воде соли. Превращая эти соли в нерастворимые в
воде соединения, Либих мог только добиться того, что они становились не-
усвояемыми для растений, так как растения могут поглощать только раство-
ренные соли. Благодаря этому все удобрения оказались введенными на-
прасно. Теперь, когда была понята причина отрицательных результатов вне-
сения таких удобрений, он, разумеется, сумел легко исправить свою ошибку.
Но как следовало объяснить успех внесения селитреного удобрения?
В этом отношении Либиху все же пришлось признать, что он ошибался,
предполагая, что содержание газообразного аммиака в воздухе является
достаточным для роста растений. Наоборот, почва без дополнительного
внесения в нее азотистых удобрений становится все беднее и беднее, а по-
этому, наконец, делается бесплодной. Впредь необходимо, следовательно,
ставить вопрос не в смысле альтернативы «минеральные удобрения или
азотистые удобрения» а в смысле «минеральные удобрения и азотистые
удобрения». Калий, фосфор, азот и известь — вот как должна отныне
гласить формула, от которой зависит повышение плодородия почвы.
251
Еще при своей жизни Либих имел возможность с удовлетворением
установить, что его учение об удобрительных солях получило всеобщее
признание. Все больше и больше утверждалось убеждение в необходи-
мости вносить в пашню искусственные удобрения. Опыты с несомненностью
показывали, что удобренные пашни приносят значительно лучшие урожаи.
Одно время думали, что можно совершенно отказаться от естественных
удобрений, что минеральное удобрение, как более удобное для обращения,
представляет собой как бы «панацею» для повышения урожая. Однако ско-
ро пришлось убедиться, что удобри-
тельные соли не могут сделать совер-
шенно ненужным и совсем вытеснить
ценный навоз, но скорее могут лишь
восполнить недостаток питательных ве-
ществ, образующийся в сельскохозяй-
ственном круговороте. Однако дополни-
тельное внесение минеральных солей
обусловливает получение лучших уро-
жаев. В свою очередь их внесение
делает возможным повышение поголовья
скота и лучшего его питания. А это
опять-таки обусловливает увеличение
количества навоза, повышающего уро-
жай посевов1.
Гис. 123. Круговорот азота в природе. Итак, четыре элемента необходимо
регулярно вносить в почву: калий, азот,
фосфор и в некоторых случаях кальций. После того как необходи-
мость регулярного внесения удобрительных солей стала общепризнанной,
потребность в них повышается из года в год. Но благодаря этому выдвига-
ется на передний план новая проблема: откуда в будущем могут быть по-
лучены громадные количества удобрительных солей и каким путем можно
их производить по наиболее дешевой цене?
Легче всего эта задача выполнима по отношению к кальцию. Уг-
лекислый кальций (например, известковый мергель) имеется в природе в
большом изобилии. Он образует на земле целые горные кряжи. Относи-
тельно свойств известняков тоже не приходится очень беспокоиться. Прав-
да, известковый мергель почти нерастворим в воде, однако в связи с осо-
бым положением, которое занимает известковое удобрение, вовсе и не тре-
буется переводить его в растворимое состояние, ибо только в редчайших
случаях обогащение известью имеет своей целью внесение питательных
солей в растения. Оно скорее служит средством улучшения качества почвы.
1 Положение Либиха, не учитывавшего всего разнообразия факторов, влияющих
на урожайность, и утверждавшего, что если не будет полного возврата в почву пита-
тельных веществ, то это приведет к истощению почвы и падению ее плодородия, было
использовано буржуазными экономистами, провозгласившими «закон убывающего пло-
дородия почвы» Классиками марксизма-ленинизма была показана и научная несостоятель-
ность этого закона, и реакционная сущность его. [Ред.)
252
Некоторые поля, в особенности такие, которые содержат большое ко-
личество гумуса, характеризуются кислой реакцией почвы, которая
оказывает тормозящее действие на рост растений и на важную для их бла-
гополучия жизнедеятельность бактерий. Если мы внесем в такую почву
известь, то последняя свяжет эти кислоты и таким путем будет снова
способствовать нейтральной реакции почвы.
* *
*
Значительно менее удач-
ными оказываются обстоя-
тельства по отношению к фос-
фору. Правда, почва пахот-
ного поля содержит целый
ряд соединений фосфора, но
они являются нерастворимы-
ми соединениями и поэтому
не могут поглощаться расте-
ниями. Благодаря действию
гуминовых кислот и угольной
кислоты некоторые незна-
чительные количества этих
удобрений переходят в рас-
творимое состояние, однако
это растворение протекает
столь медленно, что таким
путем может быть покрыта
лишь часть потребности рас-
тений в фосфорной кислоте.
Поэтому удобрение солями
фосфорной кислоты оказы-
вается необходимым тем бо- Рис. 124. Влияние минеральных удобрений
лее, что семена злаков, восо- на повышение урожая,
бенности зерновых, содержат
много фосфорной кислоты, которая после каждого снятия урожая утра-
чивается из почвы.
Уже давно было известно, что перемолотые кости способствуют повы-
шению плодородия почвы. Существенной составной частью костей именно
и является фосфорнокислый кальций, который, однако, отличается плохой
растворимостью и поэтому очень медленно усваивается растениями. И в этом
вопросе может оказать помощь теория Либиха. При обработке костей
серной кислотой получается легкорастворимая соль, так называемый супер-
фосфат. Добавим, однако, что под названием суперфосфата имеется в ви-
ду не только образующийся при реакции монокальцийфосфат, но и смесь
этой соли с одновременно образующимся сульфатом кальция (гипсом):
Са3 (PO4)2+2H2SO4 - Са (HaPO4)a+CaSO4.
253
И опять-таки страной, в которой это открытие было подхвачено и ис-
пользовано опытными в хозяйственном отношении предпринимателями,,
оказалась Англия с ее широкоразвитой промышленностью. В середине
XIX века в этой стране возникли заводы, скупавшие во всех странах кости
и производившие из этих костей ценный суперфосфат. Однако таким путем
потребность в фосфоре не могла быть удовлетворена на долгое время. Рав-
ным образом и гуано (особые отложения, образовавшиеся из содержащих
фосфор экскрементов птиц, скопившихся на некоторых островах Тихого
океана) не может удовлетворить этой потребности, тем более, что этот ма-
териал весьма дорог вследствие необходимости его транспортировать на
очень далекие расстояния. Поэтому гораздо большее значение имеют от-
ложения апатитов и фосфоритов в России, США и в Северной Африке.
Фосфорит представляет собой нерастворимое фосфорное соединение, кото-
рое может быть действием серной кислоты легко переработано на су-
перфосфат. В настоящее время очень большая часть фосфорных удобри-
тельных солей добывается из этих месторождений.
При желании получить хорошую сталь необходимо из чугуна удалить
фосфор и другие вредные для стали примеси. Для этого с 1856 года приме-
няют метод англичанина Бессемера. Однако скоро выяснилось, что не вся-
кий чугун может быть переработан в бессемеровской «груше» на хорошую
сталь. Сталь, которая содержит много фосфора, не теряет этот фосфор при
бессемеровском процессе и образует сталь очень плохого качества.Что мож-
но предпринять против этого? Англичанин С. Томас нашел решение
этой задачи. При выстилке бессемеровской «груши» известковой футеров-
кой эта последняя поглощает фосфорную кислоту из расплавленного чу-
гуна, и после этого из чугуна образуется хорошая сталь. Время от времени
насыщенную фосфорной кислотой выстилку «груши» необходимо заменять
новой. И вот оказалось, что эта использованная футеровка «груши» пред-
ставляет собой ценное фосфорное удобрение. Таким образом, сразу были
достигнуты две цели: во-первых, по методу Томаса получают хорошую
сталь и, во-вторых, при этом одновременно образуется важная удобритель-
ная соль, так называемый томасшлак. Суперфосфат и молотый томасшлак
в настоящее время представляют собой наиболее обычные фосфорные удо-
брения.
* *
Когда в середине XIX века в Стасфуртских копях стали изучать
недра земли для добычи горнорудным путем поваренной соли, которую
до того получали путем выпаривания солевых рассолов, пришлось сначала
столкнуться с одним весьма неприятным обстоятельством. Над поварен-
ной солью находился толстый слой соли, имеющей горький вкус. Желая
добыть поваренную соль, необходимо было сначала отбросить этот слой
-соли, и это вызвало трудоемкие и дорогие работы. Эта «отбросная соль»
накоплялась около шахт, образуя все более и более высокие горы, ибо не-
известно было, на что можно ее использовать. Правда, уже в то время было
ясно, что эти отбросные соли содержали соединения калия, т. е. те соли,
254
которые необходимо вносить в пахотную землю. Предпринятые с этой сырой
солью опыты удобрения растений принесли, однако, вопреки ожиданиям,
неудачу. Снова эта соль была подвергнута детальному химическому испы-
танию и при этом выяснилось, что причина отрицательного результата опы-
тов заключалась в том, что хлористый магний в сравнительно большом ко-
личестве представляет собой яд для растений. Руководитель разработок
каменной соли Круг фон Нидда, стоявший во главе всех работ,
отправил образцы этих отбросных солей на различные химические заводы,
запрашивая их, возможно ли соли калия освободить от примеси хлори-
стого магния с тем, однако, чтобы стоимость этой очистки не слишком
сильно отразилась на цене чистых калиевых солей. Все ответы были в такой
степени неблагоприятными, что сначала вопрос о применении отбросных
солей был оставлен руководством солевых копей. Только после того,
как через несколько лет удалось путем простого взаимодействия солей,
содержащихся в смеси, получить чистый хлористый калий, производ-
ством калийных удобрений вдруг заинтересовались частные предприни-
матели, которых ранее никак не удавалось увлечь этим делом. Если в
1861 году был построен только один завод очистки калийных солей, то
через год были построены уже четыре завода, а в 1872 году уже на 33
германских заводах перерабатывалось свыше полумиллиона тонн сырой
соли в год. И в этом случае произошло то же, что случалось неоднократно.
Первоначально нежелательный и считавшийся не имеющим никакой
цены побочный продукт производства вдруг был выдвинут на передний
план и завоевал всеобщий интерес. Все большее и большее число шахт во
всех странах разрабатывают исходное сырье уже не ради добычи каменной
соли, но ради калийных солей. Одна рудоподъемная башня воздвигается
задругой, и из глубоких слоев земных недр горнорабочие извлекают драго-
ценную бесцветную соль. Скоро после этого и в других странах — России,
Франции, Польше и Америке были открыты крупные месторождения солей,
которые ныне подвергаются разработке. Опасений о недостатке калийных
солей в настоящее время уже не существует.
* *
*
На севере республики Чили у самой границы с Боливией на восточ-
ных склонах Кордильер простирается унылая безжизненная пустыня
Атакама. Эта обнаженная и холодная полоса тянется на сотни кило-
метров, и на ней способны существовать лишь немногие растения и
животные, так как необычайно сухой климат создает условия, невозможные
для существования большинства живых существ. Недостатком атмосферных
осадков и объясняется то обстоятельство, что под тонким слоем песчаного
покрова в почве этой области могут сохраняться мощные слои селитры.
Когда в начале XIX века здесь были открыты месторождения селитры,
то сначала это открытие не произвело какой-либо необыкновенной сен-
сации. Правда, селитра-могла пригодиться на многое: ее можно было ис-
пользовать для многих химических и технических процессов и в особен-
ности для изготовления черного пороха. Поэтому эти месторождения под-
255
верглись разработке лишь сравнительно в небольшом количестве. Одна-
ко положение вещей резко изменилось, когда определилось решающее
значение селитры для сельского хозяйства, так как в то время она
была единственным известным азотным удобрением. Только после этого
было выяснено, какое сокровище скрывает в своих недрах столь небла-
гословенная пустыня Атакама. Скоро между соседними республиками
Чили и Боливией вспыхнула война за обладание этой областью, которая
приобрела столь важное значение. Республика Чили выиграла эту «се-
лит реную войну» и одновременно приобрела тем самым монополию на
использование величайшего в мире месторождения селитры. Все настоя-
тельнее становилась потребность сельского хозяйства Европы в селитре.
И скоро слой мощностью в четыре метра селитры, так называемой «кали-
ше», стал разрабатываться в громадном масштабе. Из порта Иквикве отча-
ливали суда, доставлявшие удобрительную соль во все места земного шара.
Около конца XIX века по всей Европе распространилась ужасная
весть о том, что месторождения селитры в Чили находятся на пороге их ис-
черпания. Это означало бы, что пропадет единственный источник азотных
удобрений и что, следовательно, минеральное удобрение для всех посевов
окажется исчерпанным. Неизбежным следствием этого должно было быть
понижение урожаев и вместе с тем ухудшение жизненного уровня всего
населения Европы. Даже при предположении, что эти известия оказались
бы сильно преувеличенными, все же оставалось мучительное опасение, что
когда-нибудь отложения селитры будут исчерпаны и что мы живем, в сущ-
ности говоря, имея лишь некоторую отсрочку грядущего голода.
Необходимость разрешения проблемы синтетического получения азо-
тистых соединений из дешевых и всегда имеющихся в большом количестве
сырьевых ресурсов становилась таким образом все более и более настоя-
тельной.
АММИАК И АЗОТНАЯ КИСЛОТА ИЗ ВОЗДУХА
Однако было ясно всегда, когда ставился вопрос о получении синтети-
ческим путем азотистых соединений, — это то, что исходным материалом
во всех случаях мог быть только воздушный азот, ибо он содержится в ат-
мосфере в неограниченном количестве, всегда имеется в наличии и, кроме
того, ничего не стоит. Однако известно было с самого начала также и то,
что азот отличается одним весьма неприятным свойством, которое может
привести химиков и технологов в отчаяние. Ввиду того что атомы азота в
элементарном состоянии очень прочно соединены попарно с образованием
молекул, он обнаруживает чрезвычайно большую реакционную инертность
по отношению к действию внешних сил. При желании сделать азот более
реакционноспособным необходимо сначала разъединить в молекуле азота
оба ее атома, но это не может быть осуществлено без затраты значительных
количеств энергии.
Один из путей связывания элементарного азота заключался в полу-
чении карбида кальция — соединения кальция с углеродом, выражае-
256
мого формулой СаС2. Еще в 1862 году это соединение было получено В ё-
лером из угля и сплава цинка с кальцием, однако только после работ
Бема, Вильсона иМуассана это соединение начали получать
в больших количествах с применением электрической энергии. Карбид
кальция взаимодействует при высоких температурах с азотом воздуха с об-
разованием соединения, состоящего из кальция, углерода и азота, назы-
ваемого кальцийцианамидом CaCN2, имеющего структурную формулу
N=C — N = Ca
CaC24-N2 СаСМ2+С4-теплота.
В почве кальцийцианамид при взаимодействии с водой переходит в карбо-
нат кальция и аммиак:
CaCN2+3H2O — CaCO3+2NH3.
Последний под влиянием почвенных бактерий окисляется с образованием
нитратов и таким образом становится доступным для поглощения из почвы
корнями растений. В других случаях он тотчас же превращается в почве
в соли, взаимодействуя с содержащейся в почве воздушной угольной
кислотой или с другими почвенными кислотами, после чего может быть
использован растениями в виде иона аммония.
В начале текущего века
метод производства кальций-
цианамида был разработан
Франком и Каро в
пригодном для внедрения
в технику виде. Соответствен-
но приведенному уравнению
исходным веществом при этом
является карбид кальция, ко-
торым в перемолотом виде
заполняют корзинообразные
приемники. Последние поме-
щают в камеры из огнеупор-
ного кирпича, выстланные
снаружи железными кожу-
хами. Внутри карбида прохо-
дит трубка, содержащая же-
лезный или угольный стер-
жень, через который пропу-
скают сильный электриче-
ский ток. Этим током стер-
Рис. 125. Схема печи для получения карбида
кальция.
жень сильно нагревается и доводится до раскаленного состояния. Снизу
в печь вдувают чистый азот, полученный из жидкого воздуха путем отгон-
ки. Под влиянием высокой температуры начинается реакция взаимодей-
ствия в соответствии с приведенным выше уравнением. Ввиду того что
17 3. Шпаусус
257
эта реакция является экзотермической, ее течение сопровождается выде-
лением столь значительного количества теплоты, что раскаливание массы
медленно распространяется изнутри во внешнюю сторону, и в этом же на-
правлении протекает и образование кальцийцианамида. По окончании ре-
акции и по охлаждении продукта корзину вытягивают из окружающих ее
оболочек и после перемалывания получают порошок, окрашенный в темный
цвет выделившимся углеродом. Этот порошок и состоит из кальцийцианами-
да (рис. 125).
Азот содержится в порошке кальцийцианамида пока еще в форме, не
доступной для усвоения растениями. Он становится для них усвояемым
лишь при взаимодействии кальцийцианамида с водой. Так как эта реак-
ция протекает медленно, удобрение необходимо вносить в почву уже
сравнительно заблаговременно для того, чтобы в течение главного вегета-
ционного периода оно сумело развить свою максимальную активность.
Лучше всего вносить это удобрение уже при вспашке поля так, чтобы при
начале прорастания семян большая его часть уже подверглась разложе-
нию. При таких условиях удобрение не будет проявлять своего разъ-
едающего действия и уже не сможет принести прорастающим растениям
вреда. Разъедающее действие принадлежит к недостаткам кальцийциана-
мида, ибо в связи с раздражающим действием на слизистую оболочку
глаз, носа и рта работа с ним не совсем безопасна. Поэтому кальцийниа-
намид не приобрел такого значения, какое приобрели последовавшие за
ним аммонийные удобрительные соли.
Существует и другая возможность перевести атмосферный азот в со-
единение, доступное для усвоения растениями; она заключается в полу-
чении из азотной кислоты солей — нитратов, которые могли бы заменить
чилийскую селитру. Практический метод получения этих солей, известный
еще с давних времен, заключается в том, что на селитру действуют концент-
рированной серной кислотой, которая вытесняет из ее солей более летучую
азотную кислоту. При этом нитраты переходят в соответствующие суль-
фаты.
В качестве примера приведем реакцию взаимодействия серной кислоты
с натриевой селитрой — нитратом натрия:
2NaNO3+ H2SO4 — Na2SO4+2HNO3.
Не требуется особых пояснений, чтобы понять, что такой метод полу-
чения азотной кислоты не может послужить заменой использования чилий-
ской селитры, ибо в качестве исходного материала в нем используется как
раз то соединение, которое и требовалось заменить с помощью описывае-
мой реакции, не говоря уже о необходимости применения дорогой и дефи-
цитной серной кислоты.
Но проблема синтетического получения соединений связанного азота
могла бы считаться разрешенной, если бы удалось получить окись азота
NO, которая с кислородом воздуха тотчас же соединяется с образованием
бурой двуокиси азота NO2. При взаимодействии с водой она полностью пе-
реходит в азотную кислоту. Правда, эта последняя реакция проходит две
258
стадии. Ангидрид азотной кислоты, который непосредственно при взаимо-
действии с водой образует азотную кислоту, имеет формулу N2O5. Реакция
в данном случае может быть выражена следующим уравнением^
N2O5 + H2O-*2HNO3.
Иначе обстоит дело с окисью азота. Сначала двуокись взаимодей-
ствует с водой с образованием азотной кислоты и окиси азота:
3NO2 + H2O — 2HNO34-NO. (1)
Как мы уже знаем, окись азота тотчас же соединяется с кислородом
воздуха с образованием двуокиси азота:
2NO-f-O2—> 2NO2. (2)
Эта последняя в соответствии с уравнением (1) снова взаимодействует с
образованием азотной кислоты и окиси азота, причем окись азота снова
вступает в реакцию, соответствующую уравнению (2), и т. д.
Все это хорошо и понятно. Но каким образом заставить несклонный
вступать в какие-либо реакции азот взаимодействовать с кислородом, что-
бы при этом образовалась окись азота? Для ответа на этот вопрос можно
опереться на старинное наблюдение. Еще Пристли заметил, что
замкнутое водой определенное количество воздуха обнаруживает умень-
шение объема при непрерывном пропускании через этот воздух электриче-
ских искр. Немного позднее Ка вендиш (1784) доказал, что при этой
реакции сначала образуется бесцветная окись азота NO, которая затем
путем дальнейшего окисления переходит в бурую двуокись азота NO2. Эта
последняя взаимодействует с водой, служащей в этом опыте запирающей
газ жидкостью, и превращается в азотную кислоту в соответствии с урав-
нением, которое уже было выше приведено. Правда, азотная кислота обра-
зовывалась у Кавендиша лишь в весьма незначительных количествах, но
все же эта реакция уже намечала тот путь, по которому через сто лет она
получила весьма плодотворное развитие.
Несмотря даже на то, что впоследствии удалось для этой цели произ-
водить и использовать достаточно значительные количества электрической
энергии, описанный метод «сжигания азота» был связан с целым рядом
проблем, которые лишь с большим трудом могли быть разрешены.
Образование окиси азота из азота и кислорода представляет собой рав-
новесный процесс, соответствующий уравнению:
N2+О2 И2N О+теплота.
Ввиду того что при распаде окиси азота на свои исходные вещества
должна выделяться энергия, смесь кислорода и азота является более бед-
ной по содержанию энергии, чем окись азота, и поэтому левая система бу-
дет значительно более устойчивой и постоянной, ибо в природе господст-
вует всегда тенденция превращения веществ с большим содержанием
энергии в вещества с меньшим содержанием энергии; тем самым менее
17*
259
устойчивое состояние системы переводится в болёе устойчивое соединение.
Но как объяснить при этих условиях, что более богатые по содержанию
энергии неустойчивые вещества вообще способны существовать и, более
того, вновь образовываться? Причину этого можно видеть лишь в том, что
скорость разложения таких соединений при обыкновенной температуре
практически равна нулю. При притоке энергии, т. е. при повышении тем-
пературы, в соответствии с принципом наименьшего принуждения должен
получать преимущество процесс, сопряженный с поглощением тепла, т. е.
процесс образования окиси азота. С другой стороны, и скорость разложе-
ния окиси азота повысится при повышении температуры в столь значи-
тельной степени, что благодаря этому равновесие снова сдвинется влево,
в сторону реакции разложения. Так, например, при 2000° С лишь
1,2 объемных процента азота и кислорода вступят во взаимодействие с
образованием окиси азота, в то время как при 3000° С это соединение
будет содержаться в смеси хотя и в большем количестве, но все же не более
5,3 объемных процента. Для того чтобы достигнуть достаточно большого
выхода, необходимо прибегнуть к своего рода уловке. Исходные газы
нагревают до высокой температуры и при этом в большом количестве
образуется окись азота. Однако прежде чем эта смесь азота подвергнется
вследствие столь же сильно возросшей скорости реакции разложения,
т. е. обратному распаду на азот и кис-
лород, ее следует быстро удалить из го-
рячей зоны. При этом мы как бы хотим
«перехитрить» окись азота или стараем-
ся «закалить» ее так же, как закаляем
сталь.
Техническая разработка этой «улов-
ки» была осуществлена Биркелан-
дом иЭйде, по имени которых она
и была названа в химической литера-
туре.
Для этого конструируют большое
электрическое солнце. Электрическую
дугу, образованную между двумя уголь-
ными электродами, растягивают при
помощи сильного электромагнита таким
образом, чтобы она приняла форму
плоского круга диаметром в несколько
метров и толщиной лишь в несколько сантиметров. Эта сверкающая
яркая электрическая дуга, издающая оглушительный шум, производит
грандиозное впечатление, являя собой подобие дантовского ада. В этом
огненном круге господствуют температуры, превышающие 2000° С, и че-
рез него быстро продувают воздух. Из сравнительно мало нагретой
предварительной зоны азот и кислород сразу попадают в область этого
электрического солнца. Здесь кинетическая энергия движения газовых
молекул усиливается в колоссальной степени. Очень быстро движущие-
260
Рис. 126. Прибор для получения NO
при электрическом разряде.
ся частицы с громадной силой сталкиваются друг с другом. Этой силы
достаточно для того, чтобы разорвать молекулы азота, состоящие из
прочно связанных друг с другом атомов. Благодаря этому для образовав-
шихся свободных атомов азота с их неиспользованными валентными сила-
ми представляется возможность вступать во взаимодействие с атомами
кислорода, которые в свою очередь испытывают чрезвычайно сильные
толчки. При этом образуется окись азота, и прежде чем ее молекулы сно-
ва смогут подвергнуться разложению, они уже оказываются выдутыми из
горячей зоны электрического солнца, имеющей толщину лишь несколько
сантиметров, после чего сразу охлаждаются до такой степени, что для них
оказывается превзойденной в сторону понижения минимальная критиче-
ская температура, а скорость разложения снова делается для них весьма
незначительной.
Выход окиси азота едва достигает 2,5%. На воздухе тотчас же обра-
зуется бурая двуокись азота, которая с водой взаимодействует с образо-
ванием азотной кислоты. При добавлении карбоната кальция (известняка)
образуется известковая селитра, которая на химическом языке называется
нитратом кальция; кроме того, при этой реакции выделяется угольная
кислота:
CaCO3+2HNO3 — Ca(NO3)2+H2CO3.
Нитрат кальция поступает в продажу под названием норвежской се-
литры, которую называют так вследствие того, что метод Биркеланда и
Эйде впервые был применен в Норвегии и в небольшой степени еще по на-
стоящее время применяется в этой стране. Этот метод является рентабель-
ным только в том случае, когда имеются налицо дешевые источники электри-
ческой энергии, поскольку он сопряжен с расходом очень значительного
количества ее. Такими источниками дешевой электрической энергии и рас-
полагает Норвегия в виде энергии ее горных потоков.
Но и метод Биркеланда и Эйде не является еще идеальным реше-
нием проблемы получения синтетических азотных соединений, в осо-
бенности для тех стран, которые не располагают дешевой гидроэлектри-
ческой энергией. Отрицательным обстоятельством является и то, что
норвежская селитра весьма гигроскопична, на воздухе расплывается и
поэтому мало приспособлена для хранения на складах и для рассыпа-
ния на пашнях. Но, конечно, не в этом заключается решающий довод,
вследствие которого метод Биркеланда и Эйде применяется лишь в незна-
чительной степени; по этому методу производится в первую очередь
азотная кислота, а какая соль после этого из нее будет выработана,— это
уже другой вопрос. Гораздо более существенным препятствием является
именно очень высокое потребление электрического тока и, с другой сторо-
ны, более выгодная возможность производства азотной кислоты через
промежуточное соединение — аммиак.
Аммиак представляет собой соединение азота с водородом, которое
в водном растворе переходит в гидроокись аммония NH4OH. Последняя
с кислотами образует соли аммония. Правда, ионы аммония не могут
261
усваиваться растениями, однако в почве они окисляются под влиянием
жизнедеятельности «нитрифицирующих» бактерий с образованием азотной
кислоты, которая при взаимодействии с основаниями образует нитраты,
например нитрат кальция Ca(NO3)2. Этот нитратный азот растения могут
поглощать и усваивать непосредственно.
Но как нам получить аммиак? Он, между прочим, образуется при су-
хой перегонке каменного и бурого углей и является, таким образом, побоч-
ным продуктом каждого газового и коксового завода. Путем взаимодей-
ствия аммиачной воды с серной кислотой уже давно получают белую
соль — сульфат аммония, представляющую собой ценное удобрение:
2NH4OH + H2SO4 — (NH4)2SO4+2H2O.
Недостатком всего этого дела является то обстоятельство, что те коли-
чества аммиака, которые получаются по этому способу, никогда не могут
оказаться достаточными для покрытия все возрастающей потребности в
сульфате аммония, тем более, что аммиак находит применение и для дру-
гих целей, хотя бы при производстве соды по методу Сольвея. Правда, в
связи с быстрым ростом производства железа и связанной с этим возраста-
ющей потребности в коксе и все более увеличивающемся использовании
содержащихся в каменноугольной смоле продуктов, а также в связи с воз-
растающей потребностью в светильном газе — все большие и большие ко-
личества угля подвергаются перегонке с образованием газа. Это в свою
очередь связано также и с возрастающими количествами получаемого ам-
миака. Однако эти количества далеко не достаточны для удовлетворения
потребности в аммиаке. И в этом случае была поставлена задача произ-
водить аммиак при более благоприятных условиях непосредственно из
элементов, имеющихся в наличии в обильном количестве. Как ни прост
по виду синтез аммиака в соответствии с уравнением на бумаге, все же
практическое осуществление его, в особенности в большом производст-
венном масштабе, представляет собой весьма сложную задачу.
Дело в том, что и здесь необходимо, во-первых, преодолеть исключи-
тельную неактивность азота. Уже при получении азотной кислоты по ме-
тоду сожжения азота воздуха мы видели, какие громадные количества
энергии требуются для того, чтобы осуществить окисление азота. При
синтезе аммиака обстоятельства складываются еще сложнее. Во-первых,
необходимо подвести энергию для расщепления молекул азота; кроме того,
само образование аммиака является процессом экзотермическим. При-
ток энергии должен благоприятствовать течению реакции, при которой
энергия поглощается, т. е. при которой должен разлагаться аммиак с об-
разованием исходных газов азота и водорода. Если мы все же хотим до-
стигнуть цели, то должны прибегнуть к действию катализатора, который
мог бы в такой мере повысить скорость реакции, чтобы необходимая для
установления равновесия температура оставалась в пределах допустимых
температур. Однако этот катализатор в свою очередь требует сохранения
определенной минимальной температуры, при которой он мог бы проявлять
262
свое действие. Кроме всего прочего, решающую роль должно играть и дав-
ление, как это и вытекает из закона действия масс.
Образование аммиака из азота и водорода представляет собой обрати-
мый экзотермический процесс, для которого мы можем написать урав-
нение:
N2+3H2 Zt 2МН3+теплота.
Как уже было сказано, повышение температуры будет благоприятство-
вать реакции разложения; вместе с тем при повышении температуры быст-
рее установится и равновесие. Действие катализатора позволит уже при
более низкой температуре достичь скорости реакции v2 достаточно
значительной величины.
Если мы выведем из приведенного выше уравнения реакции закон
действия масс, то будем иметь возможность записать:
скорость образования аммиака
^=kf[N2]4H2]3,
скорость разложения аммиака
p2 = fc2-[NH3]2.
При равновесии:
Щк. • [N2] • [ Н2]3= к2 - [NH3]2.
После преобразования имеем:
[N2]-[H2]3
/ci [NH3]2
Рассмотрим теперь соотношение объемов. &ля этого мы должны будем
принять во внимание следующее. Из уравнения реакции вытекает, что одна
молекула азота с молекулярным весом 28 (дважды атомный вес азота 14)
и три молекулы водорода, каждая с атомным весом 2 (дважды атомный
вес водорода 1) вступают в взаимодействие с образованием двух молекул
аммиака, из которых каждая имеет молекулярный вес 17. Ввиду того что
как атомные, так и молекулярные веса представляют собой относительные
величины и не дают каких-либо указаний относительно действи-
тельных размеров или масс этих атомов или молекул (мы ведь определяем
атомный вес как число, указывающее, во сколько раз атом данного элемен-
та тяжелее, чем атом водорода), мы имеем право встречающиеся в уравне-
нии атомные или молекулярные веса выражать любыми единицами измере-
ния, например граммами или килограммами. При этом ничего не изменится
в соотношении чисел при условии, конечно, что мы будем всегда придер-
живаться одних и тех же единиц измерения, т. е. граммов или килограм-
мов. Применительно к нашему уравнению мы будем иметь право записать:
28 г+3-2 г 2-17 г
N2-f-3H2Z±2NH3.
263
Если мы пожелаем для наших трех газов вместо указания весовых ко-
личеств получить более наглядные соответственные количества по объему,
то на основании соотношения
« общий вес в г
удельный вес =---------------
объем в см3
и в соответствии с выведенным отсюда соотношением
о общий вес в г
объем в см3 =-----------------------------------
удельный вес
мы должны будем разделить грамм-молекулярный вес или, короче, моль
на удельный вес.
Удельные веса для трех газов имеют следующие значения:
Азот........0,00125
Водород . . . 0,0000898
Аммиак .... 0,000771
В качестве объема при этом для азота получается число 22 400 см3, или
22,4 л, для водорода 22 300 см3, или 22,3 л, и, наконец, для аммиака
22 100 см3, или 22,1 л. Каждый раз при делении одного моля газа на его
удельный вес мы получаем приблизительно одно и то же число, в среднем
равное 22,4 л. Мы, таким образом, установили важную закономерность,
что молекулярный объем газа при одинаковом давлении (равном 760 мм
ртутного столба) и при одинаковой температуре (равной 0°С) составляет
22,4 л, т. е. является величиной постоянной.
Применительно к нашему примеру с аммиаком это означает, что в ка-
честве исходного вещества мы имели 1 моль = 22,4 л азота и 3 моля =
= 67,2 л водорода, т. е. всего 4 моля = 89,6 л, в то время как после ре-
акции число молей и вместе с тем и объем уменьшились вдвое. Согласно
закону наименьшего принуждения мы можем на основании сказанного за-
ключить, что повышение давления будет в сильной степени благоприятство-
вать образованию аммиака, ибо при этом наступит уменьшение объема,
причем реакционная система как бы пытается в известном смысле «укло-
ниться» от результатов воздействия внешнего давления. Тот же самый вы-
вод мы можем сделать и на основании закона действия масс, но гораздо
точнее.
Повышением давления мы достигаем также и уменьшения объема, а
это в свою очередь сопряжено с повышением концентрации веществ. Это
повышение концентрации в данном случае не будет одинаково для всех
участвующих веществ.
Удвоение давления, а вместе с тем и удвоение концентрации увеличило
числитель в 16 раз, ибо концентрацию азота надо будет помножить на 2, а
концентрацию водорода на 23, т. е. на 8 (что составляет третью степень
числа 2). Что же касается знаменателя, то он увеличится только в 4 раза,
ибо концентрацию аммиака придется помножить на 22, т. е. на 4. Однако
ввиду того что при прочих равных условиях значение константы К должно
оставаться неизменным, числитель должен уменьшаться, а знаменатель —
264
увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнуто первоначальное зна-
чение константы К. Другими словами, концентрации азота и водорода по-
низятся в результате соединения обоих газов с образованием аммиака,
причем концентрация последнего в равной степени повысится.
Следовательно, повышение давления должно в весьма значительной
степени повышать и выход аммиака.
Температура в °C Объемные проценты аммиака при равновесии
При 1 атм При 100 атм | При 200 атм При 1000 атм
200 15,2 80,6 85,8 98,3
300 2,2 52,1 62,8 92,6
400 0,4 25,1 36,3 79,8
500 0,13 10,4 17,6 57,5
600 0,05 4,5 8,3 31,4
800 0,01 1,2 2,2 —
1000 0,004 0,4 0,9 —
Более запутанно обстоит дело при повышении температуры, влияние
которой мы и раньше определили как весьма проблематичное. Повышение
температуры мы можем рассматривать в качестве положительного фактора
для повышения скорости реакции и, следовательно, для быстрейшего уста-
новления состояния равновесия. Однако, с другой стороны,то же повыше-
ние температуры благоприятно влияет на разложение образовавшегося
аммиака, благодаря чему техническое осуществление синтеза аммиака при
повышении температуры оказывается более затрудненным. Сказанное очень
хорошо иллюстрирует приведенная выше таблица, указывающая процент-
ное содержание аммиака в равновесном состоянии в смеси из трех объемов
водорода и одного объема азота в зависимости от давления и от темпера-
туры.
Легко понять, что при постоянной неизменной температуре повыше-
ние давления будет способствовать значительному повышению выхода ам-
миака и что, с другой стороны, при неизменном давлении выход будет
уменьшаться по мере повышения температуры. Таким образом, наиболее
благоприятными условиями для работы являются возможно более низкая
температура и возможно более высокое давление. Правда, здесь все же
имеются пределы: давление невозможно повышать безгранично, ибо даже
самый лучший материал может выдержать нагрузку лишь до определен-
ного предела. С другой стороны, должна быть соблюдена минимальная тем-
пература, ниже которой уже не сможет оказывать своего действия катали-
затор, а это в свою очередь отразится и на понижении выхода.
Перейдем теперь к рассмотрению катализатора — третьего фактора,
оказывающего влияние на достижение равновесия при синтезе аммиака.
Первоначально пользовались в качестве катализатора редкими метал-
лами — осмием и рутением, которые проявляли высокое каталитическое
действие уже при 400°С. В настоящее время обыкновенно пользуются
265
особым образом изготовленными железными катализаторами, для кото-
рых наиболее благоприятная температура находится немного выше 400°—
500° С, но которые имеют значительное преимущество в том отношении,
что они значительно дешевле первых.
Все эти факторы, которые оказывают влияние на установление равно-
весия при синтезе аммиака, были уже в начале нашего столетия подробно
изучены в качестве чисто теоретических основных исследований, проведен-
ных под руководством директора Химического института Высшего техни-
ческого училища в Карлсруэ Г а б е р а. В качестве катализатора в пер-
вую очередь был применен металл осмий, и опыты проводились в установке
высокого давления, которая была сконструирована для этой цели Габером.
При помощи этой установки в конце концов Габеру удалось в течение че-
тырех часов получить 500 см3 жидкого аммиака. Это количество было
весьма незначительно, но зато он сумел получить очень точные данные от-
носительно выбора катализатора, влияния давления и температуры на
положение равновесия, а также относительно протекания реакции. Габер
предложил результаты своих исследований в 1908 году Баденской анили-
новой и содовой фабрике в Людвигсгафене, и они были апробированы
и приобретены этим предприятием.
Техническое осуществление синтеза аммиака было поручено предприя-
тием химику, который ввиду своих исследований в области металловедения
и металлургии оказался весьма подходящим для выполнения этой задачи.
Имя этого химика Карл Бош.
Бош приступил к своей многолетней напряженной, преисполненной
неудач, но в конце концов все же приведшей к успеху работе.
То, что Габер осуществил в небольшой лабораторной установке с при-
менением дорогих благородных сортов стали, дефицитного и драгоценного
осмия в качестве катализатора и с самыми чистыми азотом и водородом в
качестве исходных материалов, должно было быть перенесено теперь в уве-
личенном во много тысяч раз масштабе в производство. Выше уже было
указано, что все это никоим образом не могло быть достигнуто простым уве-
личением размеров экспериментальных установок, но что при этом надо
было разрешить множество новых проблем, причем выплывали такие труд-
ности, которые вообще не могли быть заранее предусмотрены.
Наиболее благоприятными первоначальными условиями оказались
следующие: давление в 200 атм и температура приблизительно 500°С.
Соблюдение этих условий имело своим результатом получение выхода ам-
миака, равного 8%.
Первый контактный аппарат, в котором проходила каталитическая
реакция синтеза аммиака, представлял собой небольшую толстостенную
трубку длиной 1 м и диаметром 70 мм. В качестве катализатора в ней по-
мещался осмий. Нагревание производилось извне электрическим путем.
Опыт уже через несколько часов был резко оборван ввиду разрыва кон-
тактной трубки, к счастью без дальнейших несчастных последствий, ибо
эта трубка благоразумно и предусмотрительно была опущена в бетонную
шахтуо Однако при этом все же весь осмий оказался утраченным.
266
Последующие опыты, поставленные с целью выяснить причину взрыва,
дали весьма неутешительные результаты. Под влиянием высокого давления
в 200 атм, что соответствовало давлению 200 кг на 1 см2, и при весьма
высокой температуре водород проникал в структуру стали трубки и всту-
пал во взаимодействие с содержащимся в стали углеродом с образованием
углеводородов. Благодаря этому сталь утрачивала свою прочность, и ци-
линдр под влиянием действующего изнутри давления разрывался вдоль
по своей длине. Затем выяснилось, что не только молекулы водорода диф-
фундировали по направлению изнутри в наружную сторону, но что и уг-
лерод продвигался в противоположном направлении навстречу водороду,
благодаря чему в конце концов нарушалась вся структура стали, которая
становилась твердой и хрупкой, как чугун.
Что можно было предпринять во избежание указанных изменений?
После упомянутого взрыва уже невозможно было иметь дело с обыкновен-
ными сортами стали. Поэтому не оставалось ничего другого, как разрабо-
тать новые сплавы стали, в которых углерод был бы столь прочно связан,
что он в будущем уже не мог бы совершать таких «прогулок» и не мог бы
также быть извлечен водородом. Кроме того, в высшей степени летучий
и подвижной водород не должен был иметь возможности проникать через
стенки трубки. Облагороженные стали с высоким содержанием молиб-
дена, хрома и вольфрама, которые лучше всего могли бы удовлетворить
этим требованиям, не могли быть использованы для этой цели ввиду их
высокой цены, так что в конце концов оставалась лишь возможность поль-
зоваться богатыми по содержанию кремния сортами стали, которые в свою
очередь имели тот недостаток, что не отличались достаточно высоким со-
противлением к испытываемому ими давлению газов. Бош постарался
выйти из этого затруднения тем, что воспользовался внутренней трубкой
из богатой по содержанию кремния и не поддававшейся действию водорода
стали, которая была окружена внешним устойчивым по отношению к да-
влению кожухом. Пространство между внутренней трубкой и предохра-
нительным кожухом было заполнено индифферентным азотом, который
нагнетался под давлением 200 атм, противодействовал извне давлению,
производимому газами изнутри на стенку внутренней трубки.
Дальнейшая проблема заключалась в подыскании соответствующего
катализатора. Осмиевый катализатор первой контактной печи был утра-
чен при взрыве, и это позволило предположить, что такой же результат
может повториться и далее, благодаря чему можно будет вновь выпустить
на ветер весь запас осмия. Бош разработал катализатор из особенным об-
разом изготовленного пористого железа, которое могло оказывать те же
услуги, что и значительно более дорогой осмий. Как и всегда при катали-
тическом методе, необходимо было обратить особое внимание на очистку
газа для того, чтобы избежать порчи катализатора действием каталити-
ческих ядов, в особенности в тех случаях, когда приходилось пользоваться
исходными материалами различного происхождения и содержащими раз-
личные загрязняющие примеси. И это все также было осуществлено.
В 1911 году «детские болезни» производства были в общем и целом преодо-
267
Рис. 127. Колонна для синтеза аммиака.
лены. В небольшой установке на Баденской анилиновой и содовой фаб-
рике удалось производить 25 кг аммиака в день. В начале 1912 года про-
дукция уже составляла 1000 кг в день, а через год на новопостроенном за-
воде в Оппау производство достигало уже 30 000 кг в день.
Из аммиака можно получать не только удобрения, но и азотную
кислоту, а из последней также и взрывчатые вещества. Когда разразилась
первая мировая война, Германия оказалась отрезанной от чилийских ме-
сторождений селитры и должна была сама покрывать свою потребность
в ней, чтобы иметь возможность продолжать войну. Год от года произво-
дительность предприятия увеличивалась. Наконец, уже стала недостаточ-
ной и площадь, занимаемая предприятием в Оппау. Поэтому в 1916 году
было начато строительство нового предприятия по производству аммиака
в непосредственной близости от деревушки Лейна на расстоянии несколь-
ких километров от Мерзебурга, как раз посередине богатых отложений
бурого угля Среднегерманской равнины. Уже через год этот завод Лейна
был построен, и до конца войны он довел свое производство до 250 000 т
аммиака в год.
Во время второй мировой войны завод Лейна был полностью разрушен
тысячами бомб. С помощью Советского Союза было построено предприятие
«Химические заводы им. Вальтера Ульбрихта», которое и начало произ-
водство столь необходимых для сельского хозяйства удобрений. 1 января
1954 года оборудованный по последнему слову современной техники за-
вод, который со своими 30 000 рабочими представляет собой самое круп-
ное предприятие ГДР, перешел в собственность народа. Назначением
этого предприятия является уже не уничтожать человеческие ценности,
а, наоборот, обеспечивать высокий жизненный уровень трудящихся.
Исходными материалами для синтеза аммиака являются азот и во-
дород. Естественно было получать азот из воздуха, а водород — из во-
ды, причем добывание обоих газов в чистом виде могло быть осущест-
влено при помощи угля, с переходом через промежуточные стадии — гене-
раторный и водяной газы.
При пропускании через раскаленный уголь воздуха наступает со-
вершенно равномерное горение угля, причем кислород воздуха соединяет-
ся с углем с образованием окиси и соответственно двуокиси углерода.
В известной степени эта реакция поддается регулированию, с точки зрения
образования конечных продуктов, ибо при избытке кислорода преимущест-
венно образуется двуокись углерода, а при недостатке углерода — пре-
имущественно окись углерода. Ввиду того что в обоих случаях мы здесь
имеем дело с экзотермической реакцией — ведь выделяющейся при таких
процессах энергией мы зимой пользуемся при отоплении наших жилищ,
то температура реакционной системы будет все более и более повышаться:
2С+О2 2СО+теплота.
Однако при техническом проведении синтеза аммиака применяют
не чистый кислород, а воздух. Поэтому наряду с образующейся окисью
и двуокисью углерода остается еще значительное количество азота. В связи
269
с этим более правильно мы сможем выразить этот процесс следующим урав-
нением:
2C+O2+4N2 ~* СО+4М2+теплота.
При пропускании над раскаленным углем водяного пара наступит
восстановление воды до водорода, причем опять-таки будет образовываться
окись углерода:
Н2О-|-С+тепло та—* СО+Н2О.
Эта реакция протекает эндотермически, почему через определенное
время поступление водяного пара должно быть приостановлено и пу-
тем возобновления пропускания воздуха температура снова повышена с
образованием азота и окиси углерода. Комбинируя оба эти процесса,
удается получать водяной газ и генераторный газ; эти газы образуют
смешанный газ, состоящий главным образом из азота, водорода, окиси
углерода и двуокиси углерода.
В холодильнике и очистителе для газа последний после этого охлаж-
дают и освобождают от примеси загрязняющих веществ. Из всех газов
желательными являются азот и водород, значительные же количества
двуокиси углерода и окиси углерода являются вредными примесями, по-
чему их и удаляют. Для этого смешанный газ пропускают через контакт-
ную печь, в которой протекает каталитическая реакция взаимодей-
ствия окиси углерода с водяным паром с образованием двуокиси углерода
и водорода:
СО+Н2О со2+н2.
Полученный таким образом контактный газ состоит из азота, водо-
рода и двуокиси углерода. Его подвергают конденсации при 25 атм и на-
гнетают в очиститель от угольной кислоты. Здесь навстречу восходящей
струе двуокиси углерода течет вода, в которой углекислый газ под давле-
нием в 25 атм хорошо растворяется; таким образом этот газ и удаляется
из газовой смеси. После этого оставшуюся смесь азота с водородом осво-
бождают от примеси последних следов еще не прореагировавшей окиси уг-
лерода путем пропускания смеси через аммиачный раствор медной соли,
который нагнетают сверху при помощи насоса и который связывает окись
углерода.
Непосредственное взаимодействие составных частей чистой смеси,
содержащей водород и азот в объемном соотношении 3 : 1, протекает в ам-
миачной контактной печи, в том длинном и узком толстостенном стальном
цилиндре, который сначала доставил Бошу столько забот. Его не требует-
ся особенно сильно нагревать, ибо синтез протекает экзотермически и вы-
деляющаяся теплота реакции поддерживает температуру приблизительно
на уровне 500°С. Из непрореагировавшей смеси образовавшийся аммиак
вымывают под давлением и собирают его в виде 25-процентного раствора
в больших приемниках. Остаточные газы возвращают обратно
в контактную печь и здесь снова подвергают реакции. Таким образом,
270,
остаток
Рис. 128. Схема синтеза аммиака по Габеру — Бошу.
этот круговорот обеспечивает полное использование полученных азота и
водорода для реакции их взаимодействия.
Изложенными краткими сведениями мы ограничимся в описании те-
чения синтеза аммиака по методу Габера — Боша. Значительную часть
полученного аммиака перерабатывают непосредственно на удобрительные
соли, а остальное используют для производства азотной кислоты или для
получения других соединений.
Важнейшим азотистым удобрительным веществом является сульфат
аммония (NH4)2SO4, который в больших количествах получается также из
аммиака, образующегося в качестве побочного продукта газовых заводов.
Образование сульфата аммония из аммиака следует представлять себе та-
ким образом, что основание нейтрализуют серной кислотой. При этом об-
разуется соль сульфата аммония,которая после выпаривания воды остается
в твердом виде:
2NH4OH+H2SO4— (NH4)2SO4+H2O.
Это и есть простейший путь, по которому эту соль получали и раньше.
Однако при этом приходилось расходовать столь значительное количество
ценной серной кислоты, что уже давно стали ставиться опыты получения
сульфата аммония без ее применения.
В настоящее время с этой целью в больших закрытых и снабженных
механическими мешалками котлах, наполненных аммиачной водой, обра-
зуют гипсовую взвесь путем добавления перемолотого гипса. При непре-
рывном перемешивании в эти котлы нагнетают затем двуокись углерода,
которая остается в качестве побочного продукта при получении водород-
ноазотной смеси. При этом протекают реакции, в которых в качестве ко-
нечных продуктов образуются карбонат кальция и сульфат аммония. Вви-
ду того что последний является солью, растворимой в воде, он может быть
отделен путем фильтрования от нерастворимого осадка, состоящего из кар-
боната кальция и из непрореагировавшего гипса. После выпаривания во-
ды в больших вакуумных испарителях сульфат аммония собирают на скла-
де в качестве готовой к употреблению соли.
Образование сульфата аммония при обработке сульфатом кальция про-
текает через следующие стадии.
Сначала гидроокись аммония взаимодействует с двуокисью углерода
с образованием карбоната аммония:
2NH4OH+CO2~> (NH4)2CO3+H2O. (1)
Карбонат аммония взаимодействует с мелко раздробленным гипсом
с образованием сульфата аммония:
(NH4)2 CO3+CaSO4 — CaCO3+(NH4)2SO4. (2)
Реакция становится возможной, потому что сульфат кальция немного
растворим в воде в противоположность почти нерастворимому карбонату
кальция. Таким образом, сульфат кальция в водном растворе в неболь-
2ТЛ
шой степени диссоциирует на свои ионы, которые находятся в равнове-
сии с недиссоциированными молекулами сульфата кальция:
CaSO4 71 Ca++4-SO“”.
При взаимодействии ионов кальция и карбонатных ионов с ионами
полностью диссоциированного карбоната аммония образуется нераство-
римый и не диссоциирующий на ионы карбонат кальция:
Са+++СОГ“-~>СаСО3.
Однако в результате этого из равновесия, в котором участвует СаСО3,
устраняются ионы кальция, которые должны быть пополнены за счет даль-
нейшей диссоциации сульфата кальция. При непрерывном устранении
продукта диссоциации, а именно ионов кальция, благодаря их взаимодейст-
вию с карбонатными ионами сульфат кальция, который сам по себе явля-
ется труднорастворимой солью, все же окончательно распадается на свои
ионы. Ввиду того что гипс всегда имеется в распоряжении в больших ко-
личествах, производство сульфата аммония будет, таким образом, нахо-
диться в зависимости только от количества имеющегося в распоряжении
предприятия аммиака.
Рис. 129. Контактный цех азотнокислотного завода.
18 3. Шпаусус
273
Значительную часть аммиака сжигают также для получения окислов
азота, которые при взаимодействии с водой образуют азотную кислоту.
Последняя находит широкое применение в химической промышленности
и, кроме того, может быть далее переработана на нитраты.
Наблюдение, что при пропускании смеси аммиака с воздухом над на-
гретой платиной, играющей при этом роль катализатора, образуются окис-
лы азота, было сделано еше в
1839 году. Этот процесс можно
выразить следующим уравне-
нием:
4NH34-5O2 — 4NO+6H2O+
+теплота.
Раз начавшись, эта реакция
продолжается сама собой, ибо
выделяемой в ее ходе теплоты
вполне достаточно, чтобы под-
держивать температуру, необхо-
димую для правильного дейст-
вия катализатора. Хотя прин-
цип этой реакции был известен
уже с давних времен, ее техни-
ческое использование стало
возможным лишь после того,
как Вильгельм Оствальд
разработал метод, обеспечиваю-
щий образование нитрозных га-
зов с достаточно большим выхо-
дом. Дело в том, что при остав-
лении образовавшихся окислов
азота в течение слишком долго-
го времени в соприкосновении
с горячим катализатором они
снова распадаются с образова-
нием элементарного азота. Этого
можно избежать, по Оствальду,
Рис. 130. Абсорбционные башни на заводе азот-
ной кислоты.
пропуская газы с большой ско-
ростью через густую сетку, из-
готовленную из тонкой плати-
новой проволоки, которая служит катализатором. При этом газы находят-
ся в соприкосновении с платиной лишь в продолжение 1/1000 доли
секунды. Получившиеся таким путем окисли азота тотчас же взаимодей-
ствуют с кислородом воздуха с образованием двуокиси азота, которая
затем вступает в реакцию с водой, стекающей в поглотительных башнях
навстречу восходящим газам, и образует азотную кислоту:
3NO2+ Н2О - 2HNO34-NO.
274
Образующаяся одновременно окись азота переходит при взаимодей-
ствии с кислородом воздуха также в двуокись азота и затем опять-таки пе-
реводится в азотную кислоту.
По этому методу каталитического сжигания аммиака в настоящее вре-
мя производится преобладающее количество азотной кислоты.
Рис. 131. Вид грануляционных башен цеха аммиачной селитры.
Из большого числа азотных удобрений, производимых из азотной
кислоты, следует назвать нитрат аммония NH4NO3, который получа-
ется при нейтрализации этой кислоты гидроокисью аммония:
nh4oh+hno3->nh4no3+h2o.
Эта соль представляет собой, ввиду значительного содержания в ней
азота, весьма ценное минеральное удобрение, тем более что азот содержит-
ся в ней как в форме нитратного азота, так и в группе аммония. В то время
как нитратный азот тотчас же может быть усвоен растениями и, следова-
тельно, может быть сравнительно очень быстро исчерпан, аммонийный азот
сохраняется в почве в течение более продолжительного времени и перево-
дится в нитратную форму благодаря жизнедеятельности бактерий. Тем не
менее нитрат аммония применяется реже, чем другие азотные удобрения,
18*
275
так как он при некоторых условиях имеет взрывчатые свойства. Зато во мно-
гих случаях он находит применение в качестве сравнительно безопасного
взрывчатого вещества. Гораздо чаще эту соль смешивают с сульфатом ам-
мония. При этом получается так называемая «лейна-селитра» ътсулъфат-
ноаммонийная селитра NH4NO3 • (NH4)2SO4, которая столь же активна
в качестве удобрения, но совершенно безопасна с точки зрения ее взрыв-
чатости.
При взаимодействии азотной кислоты с соответствующими солями
натрия, калия или кальция легко образуются натриевая селитра NaNO3,
калиевая селитра KNO3 или кальциевая селитра Ca(NO3)2, которые также
применяются в качестве удобрений.
В качестве азотных удобрений, имеющих важное значение и содер-
жащих нитратный и аммонийный азот, следует еще назвать калиевоаммо-
нийную селитру — смесь из равных частей нитрата аммония и хлорида
калия, а также и кальциевоаммонийную селитру, состоящую из нитрата
аммония и сырого известняка.
Прошло 115 лет с того времени, когда немецкий химик Либих своими
работами по сельскохозяйственной химии обратил внимание на значение
химии для сельского хозяйства, с того времени, когда химики усиленно
начали интересоваться вопросами сельского хозяйства, питания растений,
удобрения и почвоведения. И если в настоящее время в наших густо насе-
ленных областях пашни доставляют не только постоянные, но и все увели-
чивающиеся урожаи, то это является теперь уже не только заслугой земле-
дельцев, но и не в последнюю очередь также и заслугой химиков, а также
работников химических предприятий. Больше чем когда-либо теперь
уместно сказать: «Соль переходит в хлеб».
ЮСТУС ЛИБИХ
Путь химии от таинственного пробирного искусства до точной науки
был длинным и трудным. Если в древности и в средние века были извест-
ны уже многие исследователи, внесшие большие вклады в математику и фи-
зику (достаточно назвать хотя бы имена Архимеда, Герои а, Га-
лилея, Кеплера, Ньютона и К о п е р н и к а), то область
химии разрабатывалась в древности лишь жрецами в качестве тайной
науки, а в средние века (если оставить в стороне некоторые исключения),
ею злоупотребляли мошенники и фантазеры для изготовления «камня муд-
рецов». Окончательный отход от алхимии произошел, в сущности говоря,
лишь в начале XVIII века, когда целый ряд превосходных ученых, как
Ломоносов, Лавуазье, Пристли, Кавендиш, Ше-
еле и Бергман, обосновали научную химию. XIX век прошел
под знаком бурного развития химии, которая, освободившись от всего лиш-
него и тормозившего ее развитие балласта, сумела собрать за эти сто лет го-
раздо больше знаний относительно природы вещей и их превращений, чем
за все предыдущие столетия ее развития. Благодаря этому одновременно
были созданы основы для развития химической промышленности, без ко-
276
торой в настоящее время уже невозможно себе мыслить хозяйственную
жизнь страны.
Как раз к этому столетию относится и жизнь Юстуса Либиха.
Его исключительно быстрое творчество, а также его новые и смелые идеи
и учения внесли существенный вклад в быстрое развитие химии.
Юстус Либих родился 12 мая 1803 года в Дармштадте. Его отец был
владельцем аптекарского магазина и, как это было обычно для того вре-
мени, приготовлял часть своих товаров в примитивной лаборатории, нахо-
дившейся за городом, в одном из предместий города. Поэтому юному Ли-
биху пришлось уже рано соприкоснуться с химией. Здесь, в этой примитив-
ной мастерской своего отца, он изучил первые приемы и проделал громадное
число опытов, о которых он вычитывал в книгах, любезно предоставляв-
шихся ему дружески расположенным к нему библиотекарем. Здесь он по-
черпнул любовь и воодушевление к химии, которая держала его в плену в
течение всей его жизни и впоследствии не раз доставляла ему силы для пре-
одоления препятствий и трудностей.
Гимназия с ее преимущественным вниманием к гуманитарным нау-
кам не могла соответствовать способностям и интересам Либиха. Древние
языки, изящная литература и история играли в ее учебном плане столь
преобладающую роль, что естественнонаучные, или «реальные», пред-
меты, как их тогда называли, могли быть лишь слегка затронуты в этом
плане. Передают интересный эпизод относительно пребывания Либиха в
школе. Как-то раз оба самых неуспевающих ученика в классе, а имен-
но — товарищ Либиха Рейтлинг и он сам, снова подали самые худшие
латинские работы. Директор школы в отчаянии спросил их, что же они
собственно предполагают делать в жизни после того, как их ученье потер-
пит решительную неудачу. «Я буду химиком»,— таков был ответ Либиха.
Даже сам строгий господин директор разразился громким смехом, кото-
рый подобострастно был подхвачен классом: «Слыхано ли что-либо по-
добное! Либих, оказывается, хочет стать химиком. Да разве вообще
существует такая специальность? Я слыхал, что таким термином обык-
новенно обозначают обманщиков, мошенников и изобретателей изго-
товления золота?»
Однако директор, который вообще был неглупым человеком, на этот
раз ошибся. Либих позднее стал одним из ведущих химиков своего време-
ни, а Рейтлинг сделался придворным капельмейстером в Вене и заслу-
жил высокое уважение в обществе.
Не удивительно поэтому, что подобная школа могла только тормо-
зить естественнонаучные дарования Либиха и что он в некоторых клас-
сах вынужден был оставаться на большее время, чем это полагалось и
предписывалось. У отца Либиха хватило ума, чтобы положить конец
бесполезному пребыванию Либиха в школе. Поговаривали, что немалую
роль в таком повороте дела сыграл незначительный взрыв, который
внезапно, к ужасу всех учеников и учителя, произошел в ранце Либиха
во время чтения стихов Гомера на уроке. Либих до конца жизни прояв-
лял особый интерес к солям гремучей кислоты. Этот интерес вырос из
277
ярмарочных впечатлений его детства, когда странствующий торговец
производил на глазах Либиха эффектные взрывы гремучего серебра.
В лаборатории своего отца Либих усердно производил опыты с этим очень
опасным веществом,и взрыв этой соли неизбежно должен был после этого
как-нибудь произойти и во время учебы, причем у учителей Либиха, на-
конец, окончательно лопнуло терпение.
Путь к изучению химии в те времена нередко шел через аптекарское
ученичество. Либих не оказался в этом отношении исключением.Отец по-
слал его в качестве аптекарского ученика к одному из родственников,
который в соседнем местечке Теппенхейме владел аптекой. Здесь Либиху
сначала очень понравилось. Целые дни он возился с тиглями и ретор-
тами, и это было как раз то, чего он всегда желал. Однако скоро ему уже
нечему было учиться у аптекаря Пирха. Страсть Либиха к собственному
экспериментированию, которое он тайно продолжал по ночам в своей
спальной каморке, и здесь привела его к беде. И когда однажды при одном
из взрывов все оборудование комнаты оказалось разрушенным и окон-
ная рама была выбита, аптекарь был рад избавиться от своего неспо-
койного помощника, вероятно, опасаясь, как бы тот не заставил взлететь
на воздух и весь дом.
Снова Либих оказался дома. Наконец, осенью 1820 года исполнилось
его сокровенное желание. Ему было разрешено изучать химию в Бонне!
В начале XIX века в германских высших учебных заведениях изуче-
ние естествознания находилось всецело под влиянием догматической фи-
лософии природы. Это приводило к тому, что в развитии естествознания и
в особенности в развитии химии наблюдался застой. В отличие от настоя-
щего времени, когда при исследовании химических вопросов в первую оче-
редь производят опыты, которые используются в качестве критерия пра-
вильности теории и в свою очередь для выводов на основании этих опытов
новых взглядов, в те времена, наоборот, обыкновенно конкретные пробле-
мы всегда старались задушить в фейерверке очень пышных, однако ничего
не говорящих фраз и таким путем скрыть недостаток подлинных знаний.
В течение тех двух лет, от 1820 до 1822 года, когда Либих изучал в Бонне
и в Эрлангене у профессора Кастнера химию, он имел полную воз-
можность познакомиться с этим направлением в химии и отвергнуть его
для себя. «В Эрлангене в течение некоторого времени я интересовался
лекциями Шеллинга, однако у Шеллинга не было основательных знаний
по наукам о природе, а приукрашивание явлений природы аналогиями и
образами, которые он называл объяснением, для меня не имело никакой
цены»,— так однажды высказался по этому поводу Либих. Та оценка, ко-
торую позднее он дал своему учителю Кастнеру, по-видимому, была слиш-
ком односторонней и преувеличенной, однако она была показателем того
безнадежного положения химии в Германии, которое было характерным
для того времени. «Лекции Кастнера, считавшегося самым знаменитым хи-
миком, были беспорядочны, нелогичны, как волынка; он выкладывал раз-
нообразные сведения, которыми мне приходилось пичкать свою голову.
Связь, которую он устанавливал между разными явлениями, можно оха-
278
рактеризовать следующими примерами. Влияние луны на дожди видно
из того, что когда луна светит ярко, гроза прекращается; или влияние
солнечных лучей на воду доказывается тем, что в середине лета вода под-
нимается в шахтах и во многих из них не могут уже после этого прово-
диться работы. О том, что луна ясно светит тогда, когда тучи очистили
небо, и что вода в шахтах стоит высоко благодаря тому, что летом пе-
ресыхают ручьи, приводящие в движение насосы,— это для глубокомыс-
ленного лектора было бы слишком примитивным объяснением».
Однако Кастнер оценивал своего ученика иначе, и по его представле-
нию Либиху была присуждена стипендия, которая дала ему возможность
продолжать свое образование в Париже.
Париж был в то время наряду со Стокгольмом центром химического
исследования и науки. Здесь раздавались голоса таких крупных величин
в химии, как Гей-Люссак, Дюлонг и Тенар, которые
продолжали в науке тенденции Лавуазье. Здесь химики не полагались
на пустые слова и понятия, но опирались на факты и опыты, которые при
их правильном сочетании удавалось связывать в одно логическое целое.
Для Либиха эта система изучения была чем-то новым. «Во французских
лекциях на меня производили наибольшее впечатление их внутренняя
правда и добросовестное стремление избегать всего искусственного при
объяснении явлений. Все это составляло полную противоположность
немецким лекциям, в которых благодаря преобладанию дедуктивного
метода вся научная теория утрачивала свое прочное построение». Несом-
ненно, Либих именно здесь получил свои наиболее сильные импульсы.
«Я узнал, или вернее, во мне проснулось сознание, что не только между
двумя или тремя, но между всеми химическими явлениями в царстве мине-
ралов, растений и животных существует закономерная зависимость, что
ни одно из этих явлений не остается одиноким и независимым, но всегда
связано с другим, а это последнее с третьим и так далее со всеми осталь-
ными явлениями природы, и что возникновение и прекращение вещей пред-
ставляет собой как бы волнообразное движение в круговороте событий».
С громадным усердием и искусством Либих посвятил себя изуче-
нию химии под руководством Гей-Люссака. Снова появилась гремучая
кислота и ее соли, которым он уделял особое внимание. Он получил
удовлетворение, ибо его работы в этой области были доложены его руко-
водителем Французской Академии наук и встретили с ее стороны общее
признание.
В связи с одним докладом в Академии наук Либих имел случай по-
знакомиться с Александром Гумбольдтом, стоявшим в
то время на вершине своей славы. Гумбольдту очень понравился живой
и энергичный молодой человек, и он не преминул обратить внимание
великого герцога Гессенского на этого незаурядного и талантливого мо-
лодого человека. Герцог не оставил без внимания эту рекомендацию и
предложил Либиху занять профессорскую кафедру в Гисенском универ-
ситете. 24 мая 1824 года Либих, который как раз перед этим достиг
21 года, был назначен профессором химии в Гисене.
279
Рис. 132. Лаборатория Либиха.
Преподавание химии в то время заключалось главным образом в чте-
нии лекций. Обширные практические занятия, без которых в настоящее
время нельзя себе и мыслить преподавания химии, были в то время совер-
шенно неизвестным атрибутом преподавания или в лучшем случае играли
совершенно подчиненную роль. Профессора имели право подыскивать себе
несколько студентов, которым они предоставляли возможность поработать
под руководством профессора в обычно небольших и скромно оборудован-
ных лабораториях.
Либих познал по собственному опыту в Париже, какое важное зна-
чение имеет основательное практическое обучение для растущего химика.
Поэтому он уделял и в гисенской лаборатории практическим занятиям
все большее и большее место в обучении студентов. Объявление, сделан-
ное им в 1827 году, гласило: «Трехлетний опыт научил меня тому, что обу-
чение в области практической и аналитической химии, которое до сего вре-
мени практикуется в химико-фармацевтических институтах, далеко не до-
статочно для того, чтобы молодой человек приобрел хоть в какой-нибудь
степени способность и умение производить аналитические работы. Слуша-
тели института ныне будут посещать в течение летнего семестра лекции по
подготовительным курсам химии, ботаники, минералогии; весь зимний се-
местр посвящен практическим занятиям в химической лаборатории универ-
ситета, где они с утра и до вечера должны заниматься аналитической
работой всякого рода...»
В то время как начинающие работали по плану под руководством асси-
стента, более опытные студенты привлекались все в большей и большей сте-
пени к самостоятельным работам, причем сам Либих оказывал им советом
и показом содействие.
Без особых пояснений мы видим, что эта система обучения сохраняется
в принципе и по настоящее время. В те же времена этот метод представлял
собой нечто совершенно новое. Однако успех очень скоро подтвердил его
правильность. Уже через несколько лет скромные лабораторные помещения
оказались недостаточными для того, чтобы в них могли разместиться мно-
гие студенты, которые из разных стран стекались к Либиху поучиться у
него химии. Однако не только студенты, но и сами университетские про-
фессора не упускали случая принять участие в практическом курсе химии.
Уже через несколько лет учебная лаборатория Либиха стала знаменитой
далеко за пределами Германии. В течение своей 28-летней деятельности
в Гисене Либих обучил в своей лаборатории значительное число студентов,
которые сделались известными промышленными химиками и профессорами
высших школ. Они несли учение и методы Либиха во все страны мира.
Назовем хотя бы только некоторые имена учеников Либиха: Бухнер,
А. В. Гофман, К е к у л е, Мерк, Петтенкофер, Копп,
Эрленмейер, Вюртц, Муспратт, Глэдстон и Зинин.
Однако оказалась необходимой жестокая и утомительная борьба с
советом университета и с министерством в Дармштадте для получения по-
мещения и средств, которые были необходимы для осуществления планов
Либиха. Ассигнования буквально каждого гульдена решались лишь после
281
длительной переписки, да и то с большими колебаниями. Когда Либих при-
шел в 1824 году в Гисен, химическая лаборатория была организована в ка-
раульном помещении бывшей казармы и состояла из одной комнаты с ос-
новной площадью в 38 ж2, с добавлением небольшой и холодной комнаты
для взвешивания и для хранения коллекции реактивов, а также моечной
комнаты, которой одновременно пользовалась и семья профессора. В этих
более чем примитивных условиях Либиху пришлось работать вплоть до
1833 года.
В настоящее время нам может показаться необыкновенным, что на
строительство и содержание химических институтов предоставляются мил-
лионные ассигнования, если мы подумаем о том, чего мы никоим образом
не должны забывать: с какими невероятными финансовыми и материаль-
ными трудностями и с какими глупыми предрассудками и затруднениями
приходилось бороться Либиху. Только его необузданной энергией можно
объяснить, что он сумел с успехом довести эту борьбу до конца.
В двух боевых статьях «Состояние химии в Австрии» и «Состояние хи-
мии в Пруссии» Либих вскрыл в резких выражениях упадок химии в этих
государствах. Возлагая вину за это в Австрии на местных профессоров хи-
мии («я повторяю, во всем этом повинны преподаватели химии, которые во-
все не являются химиками»»), в Пруссии он возлагал вину за не менее низ-
кую подготовку химиков на прусское правительство, указывая, «что в этой
стране само правительство повинно в том, что оно не имеет ни малейшего
представления о значении химии. Все старания преподавателей разби-
ваются о несознательность именно тех, которые должны были бы считать
своим долгом способствовать успехам науки и получать действительно бла-
гие результаты, проистекающие из роста сознательности народа». Ценность
науки не может, по мнению Либиха, определяться ее материальной поль-
зой, но государство должно сильнее способствовать той науке, которая
благоприятствует росту материального благополучия народа. Однако
вследствие того, что в Пруссии понятие «образование» распространяется
лишь на знакомство с классическими языками, историей и литературой,
было не удивительно, что в этом государстве не существовало ни одной хи-
мической учебной лаборатории, если не считать некоторых частных учреж-
дений. В школе обязательно должен произойти отход от преувеличенного
гуманитарного направления. «В наших естественнонаучных школах, назо-
вем ли мы их промышленными или реальными школами, воспитывается
новое здоровое поколение, которое будет сильнее умом и духом и способ-
нее на свершение всего, что является подлинно великим и плодо-
творным».
Реакция на эти статьи была неодинаковой. В то время как в Австрии
ответом послужило приглашение Либиха в Вену, в Пруссии, наоборот,
статья Либиха была воспринята как личное оскорбление, ответом на ко-
торое должны были последовать репрессии, например запрещение в тече-
ние некоторого времени ученикам Либиха занимать должности на государ-
ственной службе, что, между прочим, оказалось далеко не в интересах
Пруссии.
282
Работы Либиха, выполненные в первые гисенские годы, относятся
прежде всего к области молодой в то время органической химии. Нас
завело бы слишком далеко желание перечислить в отдельности эти ра-
боты и воздать им должное в соответствии с их значением. Назовем
хотя бы некоторые важнейшие из них. При изучении влияния хлора на
спирт Либих открыл, между прочим, хлороформ и хлораль.
Значение этих препаратов для медицины выяснилось лишь впослед-
ствии. Частью самостоятельно, частью в совместной работе с его близким
другом Фридрихом Вёлером были выполнены Либихом работы по гиппу-
ровой кислоте, пикриновой кислоте, меллитовой кислоте, мочевой кис-
лоте и алкалоидам. Большое значение для познания структуры органи-
ческих соединений представляли его работы относительно строения орга-
нических кислот. Ввиду того что значительное число органических соеди-
нений построено лишь из немногих элементов, главным образом из угле-
рода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов, для их исследования
требуется производить количественный анализ. «В неорганической химии
анализ составляет последнюю цель, результат исследования; в органиче-
ской же химии анализ является единственным надежным реактивом, он
является средством исследования. Голое описание тех изменений, кото-
рые претерпевает органическое вещество под влиянием других реагентов,
воистину безнадежно, ибо оно ничего не объясняет в тех случаях, когда
его состав нам неизвестен. Если же нам известен состав этого соединения,
а также состав одного, двух или трех его производных, то объяснение
приходит само собой». Методы этого органического количественного
анализа, так называемого элементарного анализа, существовали уже с
довольно раннего времени, и они давали очень точные результаты, но
проведение такого анализа было весьма затруднительным и требовало зна-
чительного времени. Так, например, Берцелиусу для анализа семи ор-
ганических кислот потребовалось затратить восемнадцать месяцев!
Либих понял, что развитие органической химии зависит не в последнюю
очередь от простого и быстро выполняемого элементарного анализа, и при-
нялся за разрешение этой задачи. Разработанный им метод определения
углерода и водорода удовлетворял этим требованиям в превосходнейшей
степени и в принципе применяется и до нашего времени.
В 1840 году появилось в свет самое значительное из сочинений Ли-
биха: «Органическая химия и ее применение в земледелии и физиологии».
В этой книге, изданию которой предшествовали обширные эксперимен-
тальные исследования и изучение литературы, Либих делает обобщаю-
щий обзор развития и современного ему состояния сельского хозяйства.
Однако он не останавливается на этом, но указывает путем исследования
законов роста растений и противоречий между изъятием из почвы и
обратным возвращением в нее питательных веществ методы повышения
плодородия почвы. Таким образом, Либих становится основоположником
агрохимической науки. Начиная с его работ в сельском хозяйстве насту-
пила новая эпоха развития, которая в сравнительно короткое время при-
вела это хозяйство к неожиданному подъему.
283
Пусть даже некоторые из теорий Либиха и являются слишком одно-
сторонними и чрезмерно подчеркивают химическую точку зрения, пусть
некоторые из них впоследствии даже были отвергнуты и признаны оши-
бочными, но все же они обусловили развитие сельского хозяйства в чрез-
вычайном темпе и обратили на себя серьезное внимание общественности.
Редко научное сочинение находило столь широкий отклик, как это случи-
лось с агрохимией Либиха.
После двадцатипятилетней борьбы, которая сопровождалась часто
многими контратаками и разочарованиями, Либих мог с удовлетворением
констатировать, что большая часть его теорий получила всеобщее призна-
ние в сельском хозяйстве.
Вполне понятно, что Либих в развитие своих работ по агрохимии за-
нялся и тем, чтобы применить законы химии также и к изучению жизни и
процессов, протекающих в организмах животных. Уже в 1824 году появи-
лось его сочинение «Органическая химия и ее применение в физиологии и
патологии». На материале обширных экспериментальных работ Либих пы-
тался дать истолкование проблем обмена веществ в животном организме.
Он уже охватил наиболее существенное, относящееся к процессам дыхания
и питания. Поглощенная пища сгорает в организме, благодаря чему выде-
ляется необходимая для жизни энергия. Продукты окисления и «шлаки»
удаляются из организма органами выделения в форме двуокиси углерода,
воды, пота, мочи и кала. Если Либиху и не удалось подойти к вполне удо-
влетворительному разрешению этих вопросов,— громадность этой задачи
превышала сведения, имевшиеся по этому поводу в те времена,—то все же
ход идей Либиха был правильным и эти идеи указывали тот путь, по ко-
торому должна была пойти физиология.
Дальнейшие работы Либиха относятся к мясу, белкам, жирам, к
желчи, моче и другим пищевым веществам, выделяемым организмами.
Во время своих исследований по поводу жидкостей мяса он подходит к
изучению мясного экстракта, который ввиду его возбуждающих и укреп-
ляющих составных частей скоро стал изготовляться в больших промышлен-
ных масштабах и поступил в продажу под названием «мясной экстракт
Либиха». Описание приготовления пекарского порошка (до того времени
при хлебопечении пользовались исключительно только дрожжами или
кислым тестом) или супа для грудных детей показывает, что всемирно
известный химик не считал ниже своего достоинства заниматься подоб-
ными, на первый взгляд банальными вещами.
Все эти многочисленные работы, к которым можно еще с 1831 года
добавить редактирование журнала «Анналы химии и фармации», а также
обширные работы по составлению «Справочника по химии», не могли не
отразиться на состоянии здоровья Либиха. Его пребывание в узких за-
ставленных реактивами и приборами лабораторных помещениях и напря-
женные занятия с практикантами сильно расстроили его здоровье. За не-
делями работы без отдыха последовали трудные дни полного физического
и душевного истощения, «...я отработался и устал как собака...», «...стра-
даю от глупейшего ревматизма и головной боли» — все чаще попадаются
284
такие фразы в его письмах к Вёлеру. Этим же, а также его живым темпе-
раментом, раздражительностью и чрезмерной возбудимостью объясняются
и его реакции на критические замечания по поводу его работ и личности.
Благодаря его ответам, которые часто бывали поспешными и облеченными
в очень острую и субъективную форму и по поводу которых он часто ис-
пытывал раскаяние, но уже тогда, когда они были отправлены, он при-
обрел себе больше врагов, чем это было неизбежно. Правда, он умел от-
личать обоснованную критику от простых враждебных выпадов и насме-
шек. В большинстве случаев именно эти резкие ответы вызывали злобные
нападки на него, в особенности в тех случаях, когда он осмеливался в ка-
честве «неспециалиста» вторгаться в область агрономии или физиологии
(причем следует заметить,— с большим успехом). Это некоторыми агро-
номами и физиологами рассматривалось как бесстыдство. Проявляя в част-
ной жизни очаровательную любезность и доброту, Либих умел выступать
с величайшим упорством и решительностью, когда речь шла об отстаива-
нии интересов истины и справедливости.
Двадцать восемь лет Либих оставался верен своему небольшому Ги-
сенскому университету и отклонял почетные приглашения в Вену, Петер-
бург и Гейдельберг. Наконец, в 1852 году он отозвался на приглашение пе-
ребраться в Мюнхен, главным образом потому, что его там согласились ос-
вободить от практической преподавательской деятельности, которая в по-
следние годы очень его тяготила. Здесь он в основном продолжал начатые
им еще в Гисене работы. Дальнейшую задачу он видел в том, чтобы поза-
ботиться о популяризации химии. В своих вечерних лекциях он попытался
познакомить широкие круги населения с задачами и проблемами химии.
Эти популярные научные лекции скоро вызвали величайший интерес. В сво-
их увлекательно написанных и стилистически выдающихся «Химических
письмах» Либих преследовал ту же самую цель с неменьшим успехом.
Весной 1873 года Либих стал в усиленной степени страдать от болез-
ней и ослабления сил. 18 апреля 1873 года Юстус Либих скончался.
Он был пионером гуманности. В борьбе против реакции и невежества
он обогатил науку новыми данными. Целью его деятельности было созда-
ние для человечества лучшего будущего.
О СТЕПЕНИ кислотности и о том,
ЧТО С НЕЮ СВЯЗАНО
Без определенного порядка не может обойтись жизнь ни организма
человека, ни вообще жизнь какого-нибудь существа. Тот, кто подумает,
что эта старинная истина не относится к нему лично, раскается в этом
и претерпит неудачи, огорчения, потерю времени и денег. Даже и без то-
го, чтобы заранее точно планировать каждый наш шаг и каждую секунду
нашей жизни и нашей деятельности, мы убедимся, что в общем и целом
определенная система в нашем поведении является неизбежной.
Еще в большей мере эти выводы относятся к научным работам, если
мы желаем, чтобы они увенчались успехом. Ведь действительно всякая
285
разработанная нами проблема состоит из целого ряда отдельных вопросов,
которые тесно сплетены друг с другом и первоначально вообще не могут
быть изучены во всей их совокупности и взаимодействии.
Задача естествоиспытателя и состоите том, чтобы распутать этот узел
вопросов и выяснить, в каком месте наиболее целесообразно должна быть
начата работа для того, чтобы она достигла наилучших успехов, и как сле-
дует расчленить проблему, постигнутую в ее общих очертаниях, на даль-
нейшие этапы. Обыкновенно ученый должен будет обрисовать область
своего исследования в общих чертах, затем начнет с того, что в первую
очередь расчленит ее на более крупные разделы и подразделения, после
чего будет стараться все более и более уточнять ее в процессе своей плано-
мерной, продолжительной и тщательно детализированной работы. Так,
местность, окутанная густым туманом, улавливается лишь в схемати-
ческом плане, в неясных и искаженных очертаниях, но когда туман
начнет рассеиваться, эта местность станет вырисовываться все яснее и под-
робнее. Эту методику и систематичность в работе в своей области есте-
ствоиспытатель должен усвоить на протяжении своей научной подготовки,
и степень овладения этим качеством будет одновременно и мерой его ква-
лификации.
Когда мы говорили о кислотах, основаниях и солях, мы остановились
лишь на основном содержании этих важных групп химических соединений.
Кислоты мы определяли как такие соединения, которые в водных раство-
рах отщепляют положительно заряженные водородные ионы, обусловли-
вающие типичный кислотный характер этих соединений. Основания — со-
единения, противоположные кислотам, образуют в водных растворах отри-
цательно заряженные гидроксильные ионы и положительно заряженные
ионы металлов. Кислоты и основания могут быть приводимы во взаимодей-
ствие друг с другом, и при этом во время этого процесса нейтрализации
образуются соли и вода. Водородные ионы кислот соединяются с ги-
дроксильными ионами оснований с образованием недиссоциированной
воды, чем и объясняется нейтральная реакция солей.
В то время этого было для нас достаточно, однако нас мало интере-
совала тогда сила кислот и оснований, и мы не пытались найти меру этой
силы. Мы тогда и не ставили перед собой вопроса о том, действительно
ли все соли имеют нейтральную реакцию, не старались проверить это
утверждение.
Однако именно сила кислот и оснований обнаруживает разнообраз-
нейшие различия. Приведем такой пример. У нас имеются две разбавлен-
ные кислоты. Одна из них — уксусная кислота, полученная путем раз-
бавления 60 г концентрированной уксусной кислоты в 1 л, а вторая —
соляная кислота, которая в литре содержит 36,5 г чистого хлористого во-
дорода НС1. Как известно каждому, кто когда-нибудь имел дело с этими
кислотами, соляная кислота реагирует гораздо сильнее, чем уксусная кис-
лота, и обнаруживает более ясно выраженный кислотный характер. Прав-
да, и уксусная кислота обусловливает покраснение лакмусовой бумажки,
однако она, например, не столь интенсивно взаимодействует с металлами;
286
как соляная кислота. В то время, как я могу спокойно налить в мой салат
уксус и с большим аппетитом кушать этот салат, не опасаясь повредить
своему здоровью, я бы нанес существенный вред слизистым оболочкам рта,
пищевода и желудка, вкусивши салат, подкисленный соляной кислотой.
Уксусная кислота диссоциирует по схеме:
СН3СООН^СН3СОО-+Н+,
причем группу СН3СОО“ мы здесь будем рассматривать как отрица-
тельно заряженный кислотный остаток. Соляная кислота в водном рас-
творе распадается согласно уравнению
HC1Z1H++C1-.
Если мы просуммируем атомные веса обоих веществ в этих урав-
нениях, чтобы таким образом получить молекулярные веса, то для уксус-
ной кислоты СН3СООН мы получим: 12-f-l -{-1 4- 1 4" 12 4- 16 -j- 16 4-
4- 1 = 60, а для соляной кислоты НС1 соответственно, 1 4- 35,5 = 36,5.
В обоих случаях, следовательно, в 1 л растворен 1 моль соответствующей
кислоты, так что эти кислоты образуют растворы сравнимых концентраций.
При диссоциации одного моля каждой из обеих кислот может обра-
зоваться один моль, т. е. 1 г положительно заряженных водородных
ионов. При этом необходимо особо подчеркнуть в сказанном выше сло-
вечко может, ибо это максимально возможное количество водородных
ионов обыкновенно не бывает достигнуто вследствие того, что при дис-
социации всегда устанавливается равновесие, в одних случаях ранее,
в других случаях — позже. В то время как соляная кислота почти
полностью распадается на ионы водорода и ионы хлора — в этом случае
количество ионов водорода действительно составляет 1 г, наоборот, более
слабая уксусная кислота диссоциирует лишь в незначительной своей
части. Ввиду того что кислота образует лишь весьма небольшое число
водородных ионов, она и проявляет лишь в весьма слабой степени свойства
кислоты, которые обусловливаются присутствием этих ионов в растворе;
она проявляет свойства кислоты гораздо в более слабой степени, чем это
наблюдается с полностью диссоциированной на ионы соляной кислотой.
Таким образом, концентрацию водородных ионов мы можем считать
мерой силы кислоты. Чем большее число свободных водородных ионов
будет содержаться в определенном объеме раствора, тем больше, следо-
вательно, будет и концентрация этих свободных водородных ионов, тем
более сильной следует считать данную кислоту. Не само по себе количе-
ство кислоты, но число свободных, отщепившихся водородных ионов опре-
деляет силу кислоты. Мы должны, таким образом, делать различие между
общей концентрацией водородных ионов, безразлично диссоциированных
или недиссоциированных, и между концентрацией действительно диссоци-
ированных, свободных водородных ионов. Эту концентрацию обыкновенно
обозначают как активную кислотность. Только активные, свободные
водородные ионы можно, следовательно, привлекать в качестве меры
для выражения силы кислоты.
287
Иллюстрируем сказанное примером. У каждого из двух граждан
А и В имеется состояние, оцениваемое по 5000 марок. Однако у А при
этом имеется наличными деньгами только 100 марок, а прочий капитал
его составляют квитанции. Наоборот, у В в бумажнике лежат пятьде-
сят бумажек по сто марок наличными деньгами. Когда оба приходят
в магазин для совершения покупок, то для В будет легче приобрести
себе товар, ибо в данный момент его покупательная способность будет
значительно выше, чем покупательная способность Л, у которого боль-
шая часть его капитала находится в связанном состоянии.
Все то, что сказано выше относительно концентрации водородных ио-
нов и относительно силы кислот, можно вполне по аналогии распростра-
нить и на концентрацию гидроксильных ионов и на силу оснований.
При очистке путем перегонки воды от всех посторонних ионов мы мог-
ли бы ожидать, что она совершенно не будет проводить электрический ток,
ибо ведь именно ионы передвигаются в электрическом поле к противопо-
ложно заряженным полюсам, и эти переносы зарядов и обусловливают
электропроводность. Правда, вода является непроводником, но это ут-
верждение мы можем отстаивать только до тех пор, пока оно высказывает-
ся в не слишком точных пределах. Если же мы воспользуемся более точ-
ными измерительными приборами, то даже в самой чистой воде сумеем кон-
статировать электропроводность, которая, правда, имеет очень малую ве-
личину, но все же не может быть оставлена без внимания, и для наличия
которой необходимо найти объяснение. Посторонние ионы, присутст-
вием которых можно бы объяснить эту электропроводность, мы удали-
ли заранее, и поэтому ионы могут образоваться только из самой воды, а
после их удаления они вновь должны образоваться и компенсировать те
ионы, которые были удалены. Эти ионы образуются при диссоциации воды
соответственно уравнению:
Н2ОТ± Н+ + ОН-.
Вода диссоциирует на отрицательные гидроксильные ионы и на положитель-
ные водородные ионы, хотя эта диссоциация и протекает в весьма незна-
чительной степени, вследствие чего равновесие этой реакции диссоциации
и сдвинуто весьма сильно в левую сторону.
Если мы захотим применить к равновесию реакции диссоциации воды
закон действия масс, то мы получим уравнение:
[НЧ-НОН-]
[Н2О]
Концентрацию недиссоциированной воды (практически она и пред-
ставляет собой все количество воды) нам легко удастся вычислить. Ввиду
того что молекулярный вес воды равен 18, в 1 л ( 1000 г) раствора (прак-
тически это количество будет равно общему количеству воды) содержится
1000 : 18 = 55,5 грамм-молекул воды. Это число и составляет молекуляр-
ную концентрацию воды.
После этого мы можем, следовательно, записать, имея в виду, что это
число представляет собой постоянную величину:
[H+].[OH-]=fc[H2O],
Произведение обеих постоянных величин к и [Н2О] представляет собой,
разумеется, тоже постоянную величину, которую мы обозначим через kw
и назовем ионным произведением воды.
Как показали опыты, значение для к при комнатной температуре
1 w
равно 10“14 или----------------Другими словами, [Н+] • [ОН-•]= 1014.
Е 100 000 000 000 000
Ввиду того что чистая вода имеет нейтральную реакцию и, несмот-
ря на присутствие в ней свободных водородных и гидроксильных ионов,
не может быть приравнена ни к кислоте, ни к основанию или, наоборот,
одновременно может считаться и кислотой и основанием, то число водо-
родных ионов в ней должно быть равно числу гидроксильных ионов.
Это требование вытекает также из равновесия диссоциации. Но ввиду того
что [Н+] = [ОН“], мы имеем право утверждать, что [Н+]2 = 10“14 и что
[Н+]=/ [Н+]2=]/’ 10~14= 10~7.
Аналогичное рассуждение относится и к гидроксильным ионам: следова-
тельно, и [ОН—] также равно 10~7. Это означает, что в 10 миллионных
литров воды (т. е. в 10 000 ж3) в диссоциированном состоянии находится
только один моль воды (=18 г) с образованием одного грамм-иона (=1 г)
водородных ионов иодного грамм-иона (=17г) гидроксильных ионов, или,
иначе, чтов 1 л воды только одна десятимиллионная часть грамм-молекулы
воды, равная 18 . 10~7 г = 0,0 000 018 г, присутствует в диссоциирован-
ном состоянии.
По закону действия масс мы имеем:
[Н+]*[ОН-]=Ю-14.
Однако это требование может быть выполнено также и в том слу-
чае, если каждая из двух величин, т. е. как [Н+], так и [ОН~], вовсе не
будут равны в отдельности 10“7, но оно окажется выполненным и в тех
случаях, когда, например,
а) [Н+]=10~4, а [ОН-]=Ю~10
или когда
б) [Н+]=10-п, а [ОН-]= 10-3.
В этих примерах, как и во многих других, которые можно было бы
подобрать для иллюстрации, произведение концентраций обоих ио-
нов равно 10-14, хотя в первом случае (а) в избытке будут водородные
ионы, а во втором случае (б), наоборот, в растворе присутствует боль-
ше гидроксильных ионов, чем водородных. В первом случае мы имеем
дело, следовательно, с кислой реакцией раствора, а во втором случае
красная лакмусовая бумажка в растворе синеет, что будет свидетельство-
вать о щелочной реакции.
19 3. Шпаусус
И чем выше будет становиться концентрация водородных ионов, тем
больше, разумеется, будет возрастать кислотный характер раствора, и
одновременно в равной мере будет понижаться концентрация гидро-
ксильных ионов. Благодаря этому мы приобретаем общую количественную
меру для степени кислотности раствора, совершенно безразлично от того,
возьмем ли мы для этой цели концентрацию водородных ионов или кон-
центрацию гидроксильных ионов, ибо обе эти концентрации связаны друг
с другом соотношением: [Н+] • [ОН-] = 10“14. Если мы указываем кон-
центрацию водородных ионов, то одновременно тем самым определяется и
концентрация гидроксильных ионов.
Однако обыкновенно принято указывать в качестве определяющей
величины именно концентрацию водородных ионов. Правда, многих пока
еще смущает способ обозначения этой концентрации, ибо никто не бу-
дет оспаривать, что такое выражение, как 10-7 или 10“12, не является
особенно легко запечатлевающимся в памяти или удобным для вычисле-
ний. Поэтому Зёренсон ввел новое понятие так называемого значе-
ния pH в качестве меры для концентрации водородных ионов, а следова-
тельно, и для степени кислотности. Это значение pH не заключает в себе
ничего нового и выводится из способа обозначения концентрации водород-
ных ионов, который был описан выше. В качестве значения pH мы впредь
будем понимать взятый с обратным знаком показатель степени фактиче-
ского значения концентрации водородных ионов. При концентрации водо-
родных ионов, равной 10~5, показатель степени этого значения будет
иметь отрицательный знак (10~5); следовательно, число 4-5 или просто 5
мы будем считать для данной концентрации значением pH. Происхожде-
ние этого обозначения можно объяснить словами (Potenz — степень, Н —
водород). В этом случае мы имеем дело с раствором, в котором концентра-
ция водородных ионов выше, чем концентрация присутствующих в нем
гидроксильных ионов. Мы в этом случае имеем, следовательно, дело с ки-
слотой. В соответствии с этим для чистой воды с концентрацией водо-
родных ионов, равной 10~7, pH будет иметь значение 7, а для щелочного
раствора, в котором концентрация водородных ионов будет еще меньше
и равна, например, 10~13, pH будет иметь значение 13.
Мы можем считать установленным следующее важное правило:
С возрастанием значения pH концентрация водородных ионов, а вме-
сте с ней и степень кислотности раствора уменьшается, и значение pH,
меньшее, чем 7, характеризует кислоту, наоборот, значение pH, более
высокое, чем 7, характеризует основание. Значение pH, точно равное 7,
соответствует чистой нейтральной воде.
рН= 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
реакция сильно кислая нейтральная сильно щелочная
Было бы весьма хорошо и полезно, если бы мы могли легко устанавли-
вать, как реагирует какой-нибудь раствор, является ли он сильно кислым,
нейтральным или щелочным. Одна из возможностей осуществить это же-
лание заключается в применении лакмусовой бумажки. Как известно,
290
она окрашивается в кислом растворе в красный цвет, а в щелочном — в си-
ний цвет. Однако лакмусовая бумажка неполностью удовлетворяет по-
ставленной перед нами задаче. Нам ведь часто хотелось бы не только знать,
обнаруживает ли какой-нибудь раствор кислую или щелочную реакцию,
но нас интересует часто и вопрос, является ли этот раствор сильно кислым,
или он проявляет меньшую степень кислотности, соответствует ли он зна-
чению pH, равному 2, или значению pH, равному 5. Для проведения
многих реакций этот вопрос представляет существенное значение.
Ответ на этот вопрос нам могут до известной степени дать индикаторы,
«показатели» реакции. Такие индикаторы обыкновенно представляют
собой органические красители, которые в свою очередь являются сла-
быми кислотами или слабыми основаниями.
Рассмотрим одну из таких слабых индикаторных кислот, которую
мы в общей форме обозначим формулой НИнд и применим к этой кисло-
те уже знакомые нам закономерности. Во-первых, мы от этой инди-
каторной кислоты будем вправе ожидать, что и она в водном растворе
в большей или меньшей степени подвергается диссоциации на свои ком-
поненты, т. е. на положительно заряженные водородные ионы Н+ и на
отрицательные ионы кислотного остатка Инд—. В этом случае, как и
вообще при процессах диссоциации, мы также будем иметь дело с об-
ратимым процессом, почему и в данном случае скоро установится состоя-
ние равновесия, которое будет сдвинуто в сторону нераспавшихся моле-
кул, ибо ведь индикаторные кислоты являются слабыми кислотами:
НИнд Zt Н++Инд—.
Применив к этой реакции закон действия масс, получаем
[Н+].[Инд-]
[НИнд]
Мы должны сделать к сказанному об индикаторах еще одно важное
добавление. Для того чтобы индикатор правильно осуществлял свои
функции, недостаточно только того, чтобы он представлял собой слабую
кислоту или основание и чтобы он был красителем. Необходимо еще,
чтобы он мог окрашиваться в два явственно отличных друг от друга цве-
та, из которых один был бы характерным для диссоциированной на (Н+)
и (Инд~) формы этого индикатора, а другой — для его недиссоцииро-
ванной формы (НИнд). Подобная способность некоторых соединений
встречается далеко не редко. Безводный сульфат меди, который получа-
ется при высушивании голубой медной соли, бесцветен, а ионы меди, обра-
зующиеся в присутствии кристаллизационной воды или в водном растворе,
окрашены в голубой цвет:
CuSO4 ZtCu++4-SOi •
бесцветный голубой
Однако вернемся к рассмотрению нашей индикаторной кислоты. Пусть
в том случае, когда в растворе будет преобладать недиссоциированная фор-
19*
291
ма, он будет окрашен в красный цвет, а при преобладании в растворе дис-
социированной формы пусть цвет его будет синим.
НИндТ^ Н+-|-Инд~.
красный синий
Внесем индикатор в другую кислоту, в раствор более богатый по
содержанию водородных ионов. Тогда по закону действия масс
[Н+НИнд-]
[Н-Инд]
Концентрация водородных ионов сильно повысится под влиянием при-
бавленного раствора этой кислоты. Но для того, чтобы константа /с, как это
и должно быть, сохранила свое неизменное значение, числитель дроби дол-
жен сделаться меньшим, а знаменатель большим, т. е. большее число во-
дородных ионов и ионов кислородного остатка Инд должны будут соеди-
ниться с ионом водорода Н+ с образованием недиссоциированных моле-
кул НИнд. Концентрация Инд~ будет, следовательно, убывать, а кон-
центрация НИнд— возрастать, и благодаря этому в растворе, наконец, бу-
дет преобладать недиссоииированная форма индикаторной кислоты. Ввиду
того что последняя окрашена в красный цвет, раствор также окрасится
в красный цвет содержащимся в нем индикатором.
Теперь к нашему кислому, окрашенному индикатором в красный
цвет раствору прильем щелочи. В результате протекающего в этом случае
процесса нейтрализации кислоты основанием, концентрация водородных
ионов будет становиться все меньше и меньше, а значение pH будет посте-
пенно возрастать:
н++он--*н2о.
Благодаря этому в нашем выражении закона действия масс величина
[Н+] будет становиться все меньше и меньше. Для того чтобы и в этом
случае величина к сохраняла в качестве константы свое неизменное значе-
ние, кислота НИнд, по мере того как величина [Н+] будет убывать, долж-
на будет разлагаться на ионы Н+ и Инд~, причем концентрация НИнд бу-
дет все время уменьшаться, а концентрация ионов Н+ и Инд- в равной
степени повышаться. Наконец, будет достигнута точка, в которой [Н+] =
= [Инд—] = [НИнд| и в которой окраска индикатора будет слагаться
в равной мере из красной окраски кислой формы НИнд и из окраски ще-
лочной формы иона Инд~, и таким путем в нашем примере образуется
сине-красная смешанная окраска. Однако это будет продолжаться только
один момент, ибо при дальнейшем прибавлении гидроксильных ионов
все большее число водородных ионов будет связываться с образованием не-
диссоциированных молекул воды. А это в свою очередь повлечет за собой
тот результат, что диссоциация НИнд осуществится значительно выше пре-
делов нормального состояния равновесия. Теперь уже будет преобладать
Инд~, т. е. диссоциированная форма индикатора, которая окрасит рас-
твор в синий щелочной цвет.
292
Эта теория индикаторов была разработана Вильгельмом
Оствальдом и вследствие ее простоты и ясности мы будем при-
держиваться ее и впредь, хотя по воззрениям других ученых (из них
следует особо упомянуть теорию Шефера и Гантча) перемену
окраски индикатора следует объяснять изменениями в структуре мо-
лекул индикатора. Однако в принципе такое предположение не от-
личается сколько-нибудь существенно от прежней классической теории
Оствальда.
Не все различные индикаторы изменяют свою окраску при одном
и том же значении pH, но некоторые обнаруживают весьма различные
точки перехода окраски, вернее, интервалы перехода окраски, в которых
окраска, соответствующая их кислотной форме, переходит в окраску ще-
лочной формы, и наоборот. Приведем некоторые примеры этих интер-
валов.
Индикатор Значение pH при переходе окраски Пограничная окраска
кислотная щелочная
Тимоловый синий 1,2—2,8 красная желтая
Конго красный 3,0—5,2 синяя красная
Метилоранж 3,1—4,4 красная оранжевая
Метиловый красный .... 4,4—6,2 красная желтая
Лакмус 4,4—6,6 красная синяя
Нейтральный красный .... 6,8—8,0 красная желтая
Крезоловый красный .... 7,2—8,8 желтая красная
Фенолфталеин 8,0—10,0 бесцветная красная
Тропеолин 0 11,0—13,0 желтая буро-красная
Этот список индикаторов отнюдь не является полным, но мы из него
уже можем заключить, что при помощи индикаторов может быть испытана
вся шкала величин pH.
Если, например, нейтральный красный в растворе не переходит от
красного в желтый цвет, то мы знаем, что величина такого раствора бу-
дет ниже, чем 6,8. Если метилоранж изменяет в том же растворе свою ок-
раску от красной до оранжевой, то это произойдет при pH выше 3,1. Та-
ким образом, нам уже удается сделать некоторый выбор. Если нам пока-
жется необходимым,мы сможем теперь испытать наш раствор лакмусом и,
может быть, в этом случае нам придется зарегистрировать, что красный
цвет этого индикатора не будет переходить в синий цвет и что, таким об-
разом, начало интервала перехода, соответствующее pH = 4,4, в данном
случае не достигается. Таким образом, мы получаем возможность еще бо-
лее сузить значение pH, а именно — заключить его в пределы от 3,1 до 4,4.
Путем соответствующего выбора и применения разных индикаторов
можем до некоторой степени точно определить значение pH какого-нибудь
раствора. Для того чтобы сэкономить этот весьма затруднительный подбор,
промышленность химических реактивов разработала так называемые у ни-
293
вер сальные индикаторы, которые уже после однократного применения
указывают величину pH. Они представляют собой смеси индикаторов, ко-
торые для каждого значения принимают определенную окраску. Эту ок-
раску можно сопоставить с некоторой шкалой, при помощи которой тотчас
же можно отсчитать и результат.
Конечно, этот метод определения очень прост и для многих исследо-
ваний, имеющих лишь ориентировочный характер, он оказывает ценные
услуги. Однако с такими индикаторными бумажками невозможно работать
в тех случаях, когда необходимо требовать точных результатов. Цветные
индикаторы не могут также быть применены и к окрашенным, также к мут-
Рис. 133. Интервалы перехода окраски индикаторов:
/ — тимоловый синий; 2 — креозол красный; 3—конго красный; 4 — тропеолин 0; 5 — метиловый
фиолетовый; 6 — лакмус; 7 — нейтральный красный; 8 — ализарин желтый; 9 —тропеолин 00;
10 —метиловый красный; // —метилоранж; 12 — фенолфталеин.
ным растворам, ибо в этих случаях окраска индикатора перекрывается или
искажается собственной окраской раствора.
В настоящее время известны многие другие методы определения pH,
из которых электрические, как наиболее чувствительные, дают весьма
надежные и быстро получаемые значения. Этими указаниями можно и
ограничиться. Мы не будем вдаваться подробнее в принципы подобных из-
мерений.
При помощи новых приобретенных нами сведений относительно дис-
социации на ионы и относительно равновесий и значений pH мы теперь
можем подойти к выяснению некоторых весьма замечательных явлений,
о которых до сих пор вообще не было упомянуто.
Возьмем несколько листков синей и красной лакмусовой бумаги и
испытаем при их помощи степень кислотности растворов различных солей.
Собственно, можно подумать, что это намерение является бессмысленным.
Мы ведь знаем, что соли образуются в результате процесса нейтрализации
оснований и кислот, что они образуются, в сущности говоря, из металли-
ческого иона основания и из иона кислотного остатка кислоты. Однако мы
294
знаем также и то, что как раз ионы, определяющие основные и кислотные
свойства, а именно гидроксильные ионы и водородные ионы, соединяются
друг с другом с образованием недиссоциированной воды. Как же может слу-
читься, что соль будет проявлять какую-либо иную реакцию, кроме ней-
тральной? Ведь нам никогда не приходилось наблюдать, чтобы раствор по-
варенной соли имел кислый вкус.
Однако имеем ли мы право утверждать то же самое и относительно
растворов всех других солей? Уже при первой пробе на язык раствора соли
карбоната натрия мы начинаем в этом отношении испытывать весьма значи-
тельное сомнение. Раствор соды на ощупь является мылким как щелок, и
такое же ощущение мы испытаем, если каплю этого раствора мы нанесем на
язык. Наша лакмусовая бумажка послужит нам средством для оконча-
тельного решения. Опущенная в раствор бумажка изменяет свой цвет от
красного в синий, щелочной. Оказывается все-таки, как ни странно это
звучит, но раствор соды, другими словами, раствор соли все же обнаружи-
вает щелочную реакцию!
Но это еще не представляет собой последнего явления, которое должно
нас необычайно удивить. Невзначай мы погрузим нашу лакмусовую бу-
мажку, только что окрасившуюся раствором соды в синий цвет, в раствор
хлорного железа и испытаем крайнее удивление, убедившись, что этот
раствор окрасит эту лакмусовую бумажку в явственно красный цвет. Од-
нако и повторение этого опыта со свежей синей лакмусовой бумажкой при-
водит к тому же самому результату. Запомним, таким образом, что раствор
другой соли, а именно такой, как раствор хлорного железа, окрашивает
синюю лакмусовую бумажку в красный цвет, а следовательно, обнаружи-
вает кислую реакцию.
Большинство солей, как поваренная соль NaCl, хлористый калий КС1,
натриевая селитра NaNOs, не обнаруживает ни того, ни другого из упомя-
нутых свойств и ведет себя так, как этого мы и могли ожидать от соли: эти
соли в водном растворе нейтральны. Таковы наши неожиданные опыты.
Как мы должны их объяснить?
Начнем с того утверждения, которое мы уже сделали так уверенно
раньше: водородные ионы кислоты и гидроксильные ионы оснований
соединяются в результате процесса нейтрализации с образованием
нейтральной, недиссоциированной воды. Но так ли это действительно?
Конечно, чистая вода имеет нейтральную реакцию, в этом не приходит-
ся сомневаться, но должна ли поэтому эта вода быть обязательно недис-
социированной? Ведь в начале этого раздела мы установили, что хотя
и в незначительной, но все же в измеримой степени вода также распадает-
ся на водородные и гидроксильные ионы. Быть может, это утверждение
еще больше поможет нам при объяснении своеобразных реакций растворов
различных солей.
Рассмотрим положение дела в водном растворе карбоната натрия. Эта
соль в воде распадается на ионы натрия и на карбонатные ионы. Однако
эти ионы не будут единственными присутствующими в растворе ионами.
И сама вода также, хотя в очень незначительной степени, диссоциирует
295
на ионы, так что в этом растворе можно будет обнаружить следующие
ионы:
Na++Na++COT7+ H++QH-+H+ + OH-
Na2CO3 2Н2О
Какие реакционные возможности предоставлены для перечислен-
ных ионов (причем, разумеется, здесь мыслится только соединение про-
тивоположно заряженных ионов)? Ионы натрия могут столкнуться
с карбонатными ионами. При этом образуется карбонат натрия, соль, от
которой мы исходили и которая, конечно, тотчас же снова распадается
на эти ионы. Но пойдем далее! Вполне мыслимым является также соедине-
ние ионов натрия с противоположно заряженными гидроксильными иона-
ми. И при этом также не случится ничего особенного, ибо образова-
вшийся таким образом едкий натр в качестве сильного основания также
мгновенно испытает диссоциацию на свои первоначальные ионы. В каче-
стве последней возможности остается только реакция соединения отрица-
тельных карбонатных ионов с положительными водородными ионами. При
этом образуется угольная кислота, с которой мы познакомились как с очень
слабой кислотой, ибо она почти вообще не распадается на свои ионы. В ка-
честве уравнения реакции мы могли бы написать:
СО“+2Н+ Н2СО3.
Вот здесь мы узнаем нечто неожиданное: эти водородные ионы происходят
из воды и образованы за счет ее ничтожной диссоциации. Если мы напишем
теперь полное уравнение, то получим:
2Na+ + CO~+ 2Н+ + 2ОН- 2Na+ + 2OH~+H2CO3.
Na2CO3 2Н2О
В то время как часть водородных ионов исчезла, связавшись с остатками
угольной кислоты, гидроксильные ионы, которые ранее компенсировали
эти водородные ионы, остались, ибо образовавшееся основание — гид-
роокись натрия — хорошо растворимо в воде и поэтому оказывается пол-
ностью диссоциированным на ионы. Вследствие избытка гидроксильных
ионов раствор соли должен проявлять щелочную реакцию, причем мы
должны еще запомнить , что эти гидроксильные ионы доставлены не самой
солью, но в результате диссоциации воды, и что ионы соли только связы-
вались с одновременно присутствовавшими водородными ионами. Малые
причины, но большие результаты. Еле заметная диссоциация воды в опи-
санных условиях непосредственно проявляется очень явственно. Это яв-
ление, а именно — кислотную или щелочную реакцию водных растворов
некоторых солей мы будем обозначать термином гидролиз.
Однако кто-нибудь мог бы встать перед нами и высказать следующие
мысли: «То, что я только услышал про гидролиз, очень хорошо и правильно
объясняет также и появление щелочной реакции раствора соды. Но одно
296
все же остается еще весьма неопределенным и сомнительным. Образуется
ли в результате диссоциации воды так много водородных и гидроксиль-
ных ионов, что последние могут в растворе обусловить появление столь
ясно выраженной щелочной реакции? Разве мы, наоборот, не слышали
раньше, что диссоциация воды происходит лишь в крайне незначи-
тельной степени?»
Это возражение следует считать вполне законным, но его можно
очень скоро и опровергнуть. Действительно, вода распадается в очень не-
значительной степени на свои ионы. Как мы уже знаем, между диссоции-
рованными на ионы и недиссоциированными молекулами воды устанав-
ливается определенное равновесие, а именно: на 10 миллионов литров во-
ды приходится лишь 1 г водородных ионов и 17 г гидроксильных ионов.
Но когда из этого равновесия водородные ионы исчезнут, соединившись
с карбонатными ионами с образованием слабой угольной кислоты, то дру-
гие молекулы воды должны в свою очередь диссоциировать на ионы для
того, чтобы, как этого и требует закон равновесия, первоначальное соот-
ношение было сохранено. И в то время как образующиеся водородные
ионы непрерывно как бы проглатываются или арестовываются карбонат-
ными ионами, гидроксильные ионы остаются неприкосновенными, в сво-
бодном виде, и их присутствие обусловливает щелочную реакцию раствора.
Разумеется, диссоциация воды не может протекать до бесконечности. Она
протекает лишь до определенной границы, ибо и угольная кислота также
не является совершенно недиссоциированной: она является до известной
степени расщепленной на ионы, которые находятся в равновесии с недис-
социированной угольной кислотой. Между равновесием угольной кислоты
и равновесием воды, при которых каждый раз появляются водородные
ионы, будет, наконец, существовать согласование, и это обстоятельство
и явится концом гидролитического распада карбоната натрия.
Нетрудно будет теперь объяснить и кислую реакцию раствора хлор-
ного железа. Соответственно формуле мы должны себе представить в вод-
ном растворе этой соли ионы в нижеследующем состоянии:
Fe+-b+4-3Cl-+ ЗН+4-ЗОН-
FeCl3 ЗН2О
И для этого случая попытаемся сопоставить возможности взаимодействия
этих ионов. Ионы железа и ионы хлора? Это мы уже знаем. Они образуют
хорошо растворимую соль — хлорное железо, которая тотчас же диссоции-
рует на соответствующие ионы. Ионы хлора с ионами водорода образуют
соляную кислоту, которая, как сильная кислота, также почти полностью
распадается на свои ионы Остается только комбинация ионов железа с ги-
дроксильными ионами. Эти ионы взаимодействуют друг с другом с обра-
зованием нерастворимой, а поэтому и недиссоциирующей на ионы гидро-
окиси железа.
Fe++++3OH~— Fe (ОН)3.
297
На этот раз связанными, как бы «арестованными», оказываются гидро-
ксильные ионы, а соответствующее количество свободных водородных
ионов остается в избытке и обусловливает кислую реакцию раствора. Сооб-
ражения, приведенные для карбоната натрия, остаются такими же и в этом
случае и могут быть вполне разумно приняты во внимание.
В заключение рассмотрим еще случай с поваренной солью, которая
в растворе обнаруживает обыкновенную нейтральную реакцию. Она рас-
падается в водном растворе на ионы натрия и хлора. Некоторое количе-
ство ионов гидроксильных и водородных ионов поступает в раствор допол-
нительно из самой воды, и в целом мы имеем следующую картину:
Na++Cl-+ Н++ОН-.
NaCl Н2О
Комбинируя в этом примере различные ионы друг с другом, мы получаем:
во-первых, из ионов натрия и хлора хорошо растворимую и полностью под-
вергающуюся диссоциации соль — хлористый натрий, из которой мы ведь
и исходили в этом примере. Ионы натрия взаимодействуют с гидроксиль-
ными ионами с образованием сильной и, следовательно, также полностью
диссоциирующей на свои ионы гидроокиси натрия. Наконец, остается еще
одна возможная комбинация, а именно взаимодействие ионов хлора с
ионами водорода. Такая комбинация приводит к взаимодействию этих
ионов с образованием сильной соляной кислоты, которая также полностью
диссоциирует на свои ионы. Мы видим, таким образом, что на этот раз ни
водородные ионы, ни гидроксильные ионы не останутся связанными без
того, чтобы затем снова не подвергнуться диссоциации, так что в конце кон-
цов не будут присутствовать в избытке ни водородные, ни гидроксильные
ионы, которые бы могли обусловить кислую или щелочную реакцию. По-
этому в таком случае мы не сможем обнаружить гидролиза, что и подтверж-
дается вполне опытами.
Однако для того чтобы не оказалось необходимым для каждой соли
так подробно обдумывать все описанные выше процессы, попробуем выяс-
нить, нельзя ли установить какую-нибудь общую закономерность по во-
просу о том, какие соли вообще подвергаются гидролизу и, если мы сумеем
это сделать, то решить, в каких случаях при этом реакция окажется кислой
и в каких случаях — щелочной.
Рассмотрим еще раз наши три соли. Карбонат натрия состоит из иона
металла сильного основания (гидроокиси натрия) и из кислотного остатка
очень слабой кислоты. Реакция водного раствора этой соли щелочная.
Хлорное железо образовано ионом металла, отличающегося очень
слабыми основными свойствами (гидроокиси железа) и из кислотного
остатка сильной соляной кислоты. Реакция водного раствора хлорного
железа кислая.
Хлористый натрий содержит в качестве металлического иона натрий,
который с гидроксильным ионом образует сильное основание. В качестве
кислотного остатка мы встречаем в этой соли ион хлора, т. е. ион сильной
298
соляной кислоты. Вывод: для этой соли гидролиз не обнаруживается, и
поэтому ее раствор имеет нейтральную реакцию.
Теперь положение дела для нас уже значительно прояснилось. Соли,
обнаруживающие гидролиз, построены из составных частей слабого осно-
вания и сильной кислоты или, наоборот, из составных частей слабой кисло-
ты и сильного основания. Характер реакции определяет каждый раз более
слабый фактор, который как бы проглатывает или «арестует» соответствую-
щие ему ионы и тем самым обеспечивает избыток остающихся противопо-
ложно заряженных ионов. При карбонате натрия карбонатный кислотный
остаток связывает водородные ионы, почему остающиеся в избытке гидро-
ксильные ионы и должны обусловливать щелочную реакцию. При хлорном
железе (III) FeCl3 ион железа Fe+++ в качестве составной части слабого
основания связывает гидроксильные ионы, почему и остаются несвязан-
ными водородные ионы, обусловливающие кислую реакцию. При хлори-
стом натрии не происходит ни того, ни другого,почему раствор хлористого
натрия и имеет нейтральную реакцию.
Но как обстоит дело с солями слабых оснований и слабых кислот?
Возьмем для примера хотя бы карбонат железа FeCO3. Какова будет
реакция в этом случае? Дело в том, что подобные соли обыкновенно трудно
растворимы в воде и, если уже они и диссоциируют, хотя бы в незначитель-
ной степени, то свяжут при этом как водородные, так и гидроксильные
ионы, причем образуются соединения этих ионов в недиссоциированном со-
стоянии. Поэтому и в этих случаях нам не удается обнаружить гидролиза,
и реакция раствора остается нейтральной.
Этими данными мы ограничимся в нашем обсуждении явлений гидро-
лиза, который мы можем рассматривать как своеобразный случай в водных
растворах солей. Перейдем теперь к рассмотрению другого случая.
Начнем опять с описания опыта. Мы имеем в сосуде обыкновенную раз-
бавленную уксусную кислоту и постараемся определить либо при помощи
индикатора, либо электрическим путем значение pH для этого раствора.
Допустим, что измерение показало нам величину 3,что дает основание счи-
тать исследованный раствор слабой кислотой,как этого следовало ожидать
и на самом деле.Возьмем теперь некоторое количество соли уксусной ки-
слоты, например ацетата аммония CH3COONH4, и насыплем некоторое
количество этой соли в кислоту, в которой очень скоро эта соль и раство-
рится. При этом обратим внимание на то, что ацетат аммония, будучи
солью слабой кислоты (уксусной) и столь же слабого основания (гидро-
окись аммония), не обнаруживает гидролиза и поэтому в водном растворе
он должен проявлять нейтральную реакцию. После этого сделаем следую-
щее, на первый взгляд, ненужное испытание, а именно снова определим
значение pH раствора. С удивлением мы при этом убедимся, что значение
pH повысилось под влиянием добавления нейтральной соли и что в нашем
примере это значение достигло величины 5. Таким образом, степень кис-
лотности уксусной кислоты понизилась.
При трезвом обсуждении фактов, характеризующих это явление, этот
результат может быть принят нами за колдовство. Подумать только! При
299
прибавлении нейтральной соли к раствору слабой кислоты эта последняя
становится еще более слабой! Ввиду того что мы добавляли соль в твер-
дом виде, объем кислоты остался прежним. Таким образом, предположе-
ние о том, что величина pH понизилась благодаря разбавлению раствора
водой, отпадает. В чем же объяснение описанного явления?
Мы уже знаем относительно уксусной кислоты, что она представляет
собой слабую кислоту, которая диссоциируете образованием лишь немно-
гих ацетатных ионов СНзСОСН и водородных ионов Н+ согласно схеме:
СН3СООН СН3СОО-4-Н+
Положение равновесия в этой схеме хорошо иллюстрируется тем, что
длина одной стрелки значительно короче по сравнению с длиной другой
стрелки. В соответствии с законом действия масс мы будем иметь:
[СН3СОО—] • [Н-ь] =
[СН3СООН]
Ацетат аммония хорошо диссоциирует согласно уравнения:
CH3COONH4 —---------- ch3coo-+nh4+.
Итак, при этом образуется много ацетатных ионов. Однако поду-
маем над этим! Что обозначает это последнее утверждение? Благодаря
тому, что в растворе уксусной кислоты и ацетата аммония эта послед-
няя соль сильно диссоциирует на свои ионы ( в равновесии уксусной
кислоты ведь сильно повышается концентрация ацетатных ионов), по-
этому выражение [СН3СОО“], т. е. концентрация ацетатных ионов,
сразу в очень значительной степени повышается. Но это не остается без
важных последствий, ибо ведь в результате значительного увеличения
[СНзСОО—] весьма увеличивается значение равновесия реакции распада
уксусной кислоты, сильно увеличивается числитель в выражении закона
действия масс, а вместе с тем и значение всей дроби. Между тем ведь это-
го не должно случиться, ибо при прочих равных внешних условиях зна-
чение константы к должно оставаться неизменным. Единственное
спасение заключается в том, чтобы ионы СНзСОО-" вступили во взаимо-
действие с водородными ионами Н+ с образованием недиссоциирован-
ных молекул уксусной кислоты, ибо в этом случае выражение концент-
рации недиссоциированных молекул уксусной кислоты [СНзСООН] долж-
но возрастать.
Этот процесс протекает до тех пор, пока снова не восстановится пер-
воначальное состояние равновесия. В качестве практического следствия
этого мы убедимся в том, что и без того мало диссоциированная уксусная
кислота будет посылать в раствор еще меньшее число свободных водород-
ных ионов и что она, следовательно, сделается еще слабее. Это мы сможем
подтвердить тем, что значение pH окажется увеличившимся.
Мы притупили кислоту, лишили ее части остроты. Таким образом,
мы всегда сумеем притупить любую кислоту, прибавляя к раствору этой
кислоты соль той же кислоты, ибо в этом случае степень диссоциации ки-
ЗОи
слоты будет подавлена значительным числом образующихся при этом ани-
онов кислотного остатка. Однако это явление проявляется особенно яв-
ственно лишь для слабых кислот. Те же соображения можно распростра-
нить и на основания. Так, легко возможно ослабить гидроокись аммония
путем добавления к его раствору соли хлористого аммония NH4C1. Сделав
еще один шаг дальше, мы сумеем освоить и понятие буферная смесь.
Останемся при выбранном нами примере. В качестве слабой кислоты
мы избрали уксусную кислоту и добавили к ней в виде ацетата аммо-
ния— соль той же кислоты.
Снова для выражения равновесия диссоциации уксусной кислоты мы
напишем уравнение согласно закону действия масс:
[CH3COQ—] [Н+]
[CH3COOHJ
Если мы добавим ацетата аммония, то мы уже знаем, что в резуль-
тате появляющихся в большом числе ацетатных ионов диссоциация уксус-
ной кислоты сильно подавляется, и острота кислоты притупляется. В этом
для нас теперь нет ничего нового. Однако мы хотим теперь продвинуться
несколько дальше и поставить вопрос, как велика будет концентрация
водородных ионов в этой смеси уксусной кислоты с ацетатом аммония.
Преобразовывая приведенное выше уравнение, мы имеем:
[н+] = /< [СН3СООН]
[СН3СОО-]
Но ведь концентрация ацетатных ионов, а следовательно, и выражение
[СНзСОО~] зависит от ионов кислотных остатков диссоциированной ук-
сусной кислоты и в еще гораздо большей степени — от ионов, образова-
вшихся из ацетата аммония. Если концентрация соли и концентрация ки-
слоты приблизительно равны друг другу, то образующиеся из соли анионы
значительно более многочисленны по сравнению с анионами, происходя-
щими от кислоты, ибо ведь соль диссоциирована полностью, в то время как
уксусная кислота диссоциирована лишь в незначительной своей части.
Даже если мы пренебрежем незначительным числом анионов, про-
исходящих от кислоты, перед лицом громадного избытка анионов, об-
разующихся из полностью диссоциированных молекул соли, то допущен-
ная благодаря этому ошибка будет невелика. Однако в этом случае мы
сможем выражение [СНзСОО~] приравнять концентрации содержащейся в
растворе аммонийной соли и принять, следовательно, что [СНзСОО-] рав-
на концентрации ацетата аммония.
Мы можем совершенно таким же образом распространить наши рас-
суждения и на выражение [СНзСООН]. Ввиду того что степень диссо-
циации уксусной кислоты очень незначительна, концентрация нераспав-
шихся молекул уксусной кислоты [СНзСООН] будет иметь почти такую
же величину, как и концентрация всей кислоты вообще и, если от нас не
потребуется чрезмерной точности, то мы сможем написать:
[СН3СООН] равна концентрации кислоты.
Ж
Если мы примем во внимание все сказанное выше, то наше уравнение
[H+W 1снзС°°Н]
[СН3СОО~]
преобразуется в уравнение:
[Н+]=/с ДУксУсная кисл0та]
[ацетат аммония]
или в самой общей форме:
[H+] = fc- [кислота1
[соль]
На первый взгляд это уравнение не содержит никакого сущест-
венного высказывания, и все же это не так: оно имеет весьма важный
смысл. Концентрация водородных ионов такой «буферной смеси», а вме-
сте с тем степень кислотности содержащейся в ней кислоты зависят только
от отношения концентраций кислоты и соли, но не от абсолютных ко-
личеств. Мы можем на основании этого сделать заключение, что при раз-
бавлении нашей смеси хотя бы в пять раз, концентрация водородных
ионов и вместе с тем значение pH не изменится, ибо при таком раз-
бавлении, правда, уменьшатся в пять раз концентрации кислоты и
соли, но отношение концентрации кислоты к концентрации соли оста-
нется постоянным, благодаря чему согласно приведенному выше ура-
внению и концентрация водородных ионов [Н+] сохранит прежнюю
величину. В буферной смеси мы имеем раствор, который почти не отзы-
вается на изменение объема путем разбавления или конденсирования и
который сохраняет свое значение pH. Даже если мы разбавим такой рас-
твор в 10 или в 100 раз, концентрация свободных водородных ионов в нем
останется постоянной. На первый взгляд это может показаться парадок-
сальным, однако мы должны иметь в виду, что при увеличивающемся
разбавлении повышается и диссоциация уксусной кислоты, а это озна-
чает, что будет образовываться большее количество свободных водородных
ионов. Такая буферная смесь, состоящая из уксусной кислоты и ацетатов,
имеет в своем распоряжении очень большой запас недиссоциированных мо-
лекул уксусной кислоты, которые по мере дальнейшего разбавления не-
прерывно способны образовывать водородные ионы в результате диссоци-
ации. Лишь при очень сильном разбавлении, наконец, концентрация водо-
родных ионов становится все меньше, что и отразится на повышении зна-
чения pH. Ведь не можем же мы ожидать, что 10 см3 буферного раствора,
будучи влиты в ванну, полную воды, все еще сохранят неизменное значе-
ние pH.
Такая буферная смесь сохраняет постоянную величину также и при
добавлении некоторого ограниченного количества кислоты и щелочи. И,
наконец, все то, что нами было выше рассмотрено для смеси кислоты с
солью, может быть логически распространено и на смесь основания с солью.
Таким путем мы получим «буферованные» основания.
302
Для чего нам понадобилось приводить эти частью весьма абстрактные и
не всегда вполне простые рассуждения? В ответ на этот вопрос мы можем без
всякого преувеличения сказать, что знакомство с понятием о величине pH
и с понятием о «буферных явлениях» является совершенно необходимым не
только для каждого, кто желает серьезно заниматься химией и понимать
ее, но эта область, кроме того, играет важную роль и в большинстве дру-
гих отраслей естествознания.
Так, многие реакции находятся в зависимости от значения pH раство-
ра. Перекись водорода, например, отличается весьма большой устойчи-
востью в кислом растворе, а в щелочном она очень легко распадается на
воду и кислород. Или другой пример. При внесении в водный раствор од-
новременно ионов кальция и карбонатных ионов в нейтральном или ще-
лочном растворе будет выпадать нерастворимый карбонат кальция:
Са+++СО3 ~*СаСО3.
Однако в кислом растворе образовавшийся карбонат кальция тотчас же
перейдет в раствор с образованием ионов кальция и свободной угольной
кислоты, другими словами, в этих условиях дело совсем не дойдет до об-
разования СаСО3:
СаСО3+2Н+ Са+++Н2СО3.
Аналогичные примеры можно было бы привести в любом количестве.
Не удивительно поэтому, что измерение значений pH, пусть хотя бы при
помощи самых скромных индикаторных бумажек, непременно и очень
часто должно быть произведено химиком.
Для почвоведения и агрохимии значение pH является в высшей сте-
пени важной величиной, ибо оно в очень значительной степени опреде-
ляет образование почвы, структуру почвы и состав ее. Если значение pH
опускается ниже определенной величины, то произрастание растений уже
становится на такой почве невозможным, почему необходимыми становят-
ся предохранительные мероприятия, а это потребует закономерного конт-
роля степени кислотности почвы. Если почвенные растворы подвергаются
усиленному буферованию, то это повлечет за собой тот результат, что не
после каждого дождя в почве мы будем обнаруживать совершенно изме-
нившуюся величину pH, но что почва оказывается устойчивой в широких
пределах к внешним влияниям в отношении степени ее кислотности.
То же самое можно сказать и относительно соков человеческого ор-
ганизма. И для них значение pH может изменяться лишь в очень узких
пределах, без того чтобы физиологические процессы в организме не ока-
зались совершенно расстроенными. Как раз те реакции, которые проте-
кают в нашем организме, а также и действие многочисленных энзимов
(катализаторов) испытывают в высокой степени влияние значения pH.
Поэтому и в организме мы также обнаруживаем хорошо буферованные
растворы, которые удерживают на постоянном уровне наиболее благопри-
ятную концентрацию водородных ионов.
303
ОТ РУДЫ к ЧУГУНУ
Мы должны признать, что последнюю главу не всегда было легко чи-
тать и усваивать, и что в ней встречались иногда абстрактные рассужде-
ния, которые требовали некоторого напряжения для их понимания. По-
этому после испытанного читателем несколько более напряженного умствен-
ного труда мы хотим дать ему некоторую небольшую передышку. Может
быть, лучше всего предпринять прогулку? Куда же нам направиться? На
этот раз мы не пойдем через луга и поля, не станем пробираться по узкой
тропе через тенистый лес и не пойдем вдоль морского берега по белому
песчаному пляжу.
Мы пойдем через металлургический завод и при этом познакомимся
со всеми его разнообразными и многочисленными цехами, через которые
проходит руда, прежде чем осуществится ее превращение в ту сталь, кото-
рую затем можно будет переработать на мосты, рельсы, краны и тысячи
других предметов. Познакомимся поближе с самим железом. Мы пройдем
мимо громадной рудообжигательной печи, из которой с грохотом высыпа-
ется руда и при помощи наклонного подъемника переносится к верхней
части домны, где она проваливается в пропасть колошника. Нам становит-
ся не по себе, и мы боязливо отступаем на несколько шагов, когда ярко
раскаленный жидкий чугун, подобно потоку лавы, изливается в заранее
подготовленные изложницы. По рельсам мимо котлов и помещений, огла-
шаемых музыкой труда, мы проходим в сталелитейный цех и останавли-
ваемся перед грушевидным конвертором Томаса. Нас почти оглушает гул
воздуха, который продувается через жидкий чугун, находящийся в груше,
и здесь вступает в химическое взаимодействие с примесями, присутствую-
щими в металле, и вместе с огненным облаком захваченных твердых частиц
снова вылетает наружу.
В нашей жизни встречается множество вещей и материалов, отсутствие
которых связано для нас с значительными неудобствами, но не приводит
все же к каким-либо существенным нарушениям наших жизненных при-
вычек.
Однако существуют такие материалы, которые, в сущности говоря,
всегда и повсюду встречаются в нашей жизни. Такими материалами яв-
ляются прежде всего уголь и железо. Последнее мы встречаем в виде гвоз-
дей, деталей машин, в автомобилях, в тросах и мостовых опорах или хотя
бы в виде железных конструкций в бетоне. Разумеется, в некоторых слу-
чаях можно заменить железо и другими металлами или пластическими
массами, однако мы можем указать бесчисленные примеры, где до сих пор
подобная замена является еще немыслимой, и где железо, несмотря на не-
которые свои отрицательные свойства, как например значительный вес
и легкую окисляемость, является незаменимым.
Железо является краеугольным камнем хозяйства любого государст-
ва, и состояние производства железа и стали позволяет высказать опре-
деляющее суждение относительно народного хозяйства любой страны. Сло-
ва «Сталь переходит в хлеб» не являются фразой, но вполне соответствуют
304
Рис. 134. Доменный цех.
20 3. Шпаусус
тому смыслу, который в них заключается. И действительно, не только мил-
лионы людей непосредственно заняты добыванием и переработкой железа,
но, кроме того, почти любая отрасль промышленности, транспорта и сель-
ского хозяйства находится в зависимости от железа и стали.
Мы рассматривали железо и сталь так, как будто бы они являются
двумя различными металлами, однако оба эти понятия все время у нас
сталкивались и находились в зависимости друг от друга. Прежде всего
нам необходимо выяснить именно это обстоятельство. Относительно железа
мы знаем, что это — металл, элемент, и нам представляется, что мы в не-
которой степени знакомы и с его свойствами. Однако при этом нам не сле-
дует иметь в виду чистое железо. Железо всегда содержит большие или
меньшие количества других веществ. Из них важнейшим является углерод,
с которым железо может вступать в самые разнообразнейшие сочетания
самыми различными способами.Содержащееся в железе количество углерода
и способ связи этого углерода с железом обусловливают те различия, кото-
рые можно установить в разных сортах железа. Получаемый в домне чугун
отличается присутствием значительного количества углерода, и в том слу-
чае, если его содержание превосходит 1,7%, он уже не способен подвер-
гаться ковке и закалке. Кроме того, он очень хрупок. Железо с содержа-
нием углерода от 0,5 до 1,7 % является, наоборот, ковким, поддается за-
калке и вальцовке и не проявляет уже нежелательной хрупкости. Такое
железо называют сталью. Прежде еще различали очень бедное по содер-
жанию углерода железо (менее 0,5%), мягкое и уже не поддающееся закал-
ке, называя его ковким железом. Пример такого железа мы имеем в виде
цветочной проволоки. Однако ввиду того что границу между сталью и ков-
ким железом не всегда удается провести, в настоящее время ковким желе-
зом вообще называют такое железо, в котором содержание углерода оказы-
вается ниже 1,7%. Этого вопроса мы еще коснемся в дальнейшем подроб-
нее, а теперь перейдем прежде всего к тому сырью, которое является необ-
ходимым для производства железа.
Само железо встречается в известной нам части земной коры далеко
не редко. В земной коре оно встречается в количестве 4,7% и стоит
по порядку после кислорода, кремния и алюминия на четвертом месте
по его содержанию в земной коре. Мы его встречаем повсеместно в почве
и можем подтвердить это указанием на то, что своим бурым цветом
многие почвы и горные породы обязаны присутствию в них железа. Еще
большим окажется содержание железа, если мы рассмотрим распределение
элементов в целом земном шаре, а не в одной только его коре. При таком
расчете железо с его 37% будет играть доминирующую роль. Какой-нибудь
хозяйственник в области металлургии испытает горькое чувство при мысли
о тех гигантских количествах металлического железа, которые образуют
ядро нашей планеты и которые для нас являются, однако, совершенно не-
доступными. Мы должны довольствоваться теми жалкими следами железа,
которые когда-то проникли в поверхностные слои земного шара и которые
мы обнаруживаем в силикатном слое шлаков земной коры. При этом циф-
ра 4,7%, соответствующая количеству железа в земной коре, дает колос-
306
сально преувеличенное представление о доступных для нас количествах
железа, ибо соединения железа присутствуют действительно повсеместно,
но почти всегда содержание его столь ничтожно, что металлургическое ис-
пользование этих соединений никоим образом не является рентабельным.
Ввиду того что железо является весьма неблагородным металлом и обна-
руживает, следовательно, сильную тенденцию присоединять к себе другие
вещества, и в особенности кислород, мы никоим образом не имеем основа-
ния ожидать встретить имеющееся в природе железо в виде свободного
элемента. Металлическое железо мы встречаем почти исключительно в
форме метеоритов, которые прилетели к нам из межзвездного простран-
ства. Их вес измеряется в широких пределах и может колебаться от мно-
гих тонн до нескольких граммов. Такие космические месторождения же-
леза дали возможность человеку еще в доисторические времена путем вы-
ковывания железа в холодном состоянии изготовлять для себя оружие
и ремесленные орудия, которые по своим достоинствам значительно превос-
ходили предметы, изготовленные из бронзы или из камня. Лишь впослед-
ствии человек научился выплавлять железо из его соединений.
Зерна металлического железа встречаются и в породах вулканиче-
ского происхождения. В этих случаях железо было выброшено из внутрен-
них частей земли и позднее оказалось защищенным застывшими породами
от взаимодействия с другими веществами.
Металлическое железо добывается в настоящее время исключительно
из руд. Под рудами подразумеваются встречающиеся в природе соединения
железа с более или менее значительными примесями. Перечислим наиболее
важные из этих руд.
Прежде всего необходимо назвать магнитный железняк, или магне-
тит. Он представляет собой наиболее богатую по содержанию железа и
наиболее чистую руду. Его состав соответствует формуле Fe3O4. В соответ-
ствии с этой формулой его следует считать сложным окислом железа
Fe2O3FeO. Из самого его названия вытекает, что он обладает магнитными
свойствами.
Другой природный окисел железа мы встречаем в виде безводного
красного железняка Fe2O3, или гематита. Если он встречается в виде пре-
красных ромбоэдрических кристаллов, то его называют также железным
блеском. «Волокнистый» красный железняк — красная стеклянная голова,
минерал, которому присвоено жестокое название кровяного камня, встре-
чается в виде напоминающих почки или виноградные грозди образований.
Если красный железняк, как это часто бывает, загрязнен глиной, то его
называют красным глиняным камнем.
Более темный бурый железняк имеет состав, близкий к составу крас-
ного железняка, с той только разницей, что в противоположность красному
железняку в нем содержится большее количество воды в связанном состоя-
нии. Эта вода при нагревании выделяется в свободном состоянии, причем
бурый железняк превращается в красный железняк. По своему составу он
приблизительно соответствует формуле 2Fe2O3 • ЗН2О и поэтому благода-
ря обильному содержанию воды он отличается меньшим содержанием же-
20*
307
леза. Зато почти все бурые железные руды содержат фосфаты, которые при
выплавке переходят в чугун и могут сильно снижать его качество. В тече-
ние долгого времени исследователи ломали себе голову, каким путем мож-
но избавить железо от примеси этого нежелательного элемента, до тех пор,
пока конвертор Томаса не только сделал эту задачу выполнимой, но, кроме
того, предоставил путь для получения в высшей степени важного удобри-
тельного вещества из фосфорных примесей к железной руде.
Далее необходимо на-
звать железный шпат, или
шпатовый железняк (сидерит).
Этот минерал представляет
собой карбонатжелезаРеСО3.
В свежедобытом состоянии
он имеет желтовато-белый
цвет, однако при более дли-
тельном соприкосновении с
воздухом в результате окис-
лительных процессов приоб-
ретает бурый до буро-черного
цвета. Часто он образует
также кристаллы, которые
обнаруживают хорошую
спайность. Шпатовый желез-
няк встречается также в сме-
си с глиной и в этом случае
называется глинистым же-
лезняком. В угольных место-
рождениях, будучи смешан
с углем, он называется уг-
листым железняком.
Не забудем также об име-
ющем весьма важное значе-
ние пирите, или серном кол-
чедане. Это железная руда,
с которой мы познакомились
Рис. 135. Красная стеклянная голова (железная
РУДа).
еще при описании производ-
ства серной кислоты как с
источником получения дву-
окиси серы. Формула его
FeS2. Пирит очень тверд и при ударе о сталь выбивает искры, откуда
и происходит его название («пирит» — огненный камень). Цвет руды —
латунно-желтый с серым оттенком.
В самых редких случаях руда непосредственно в том виде, как она
добывается в природных условиях, транспортируется к металлурги-
ческому заводу и прямо попадает в доменную печь. Чаще перед этим не-
обходимо руду подвергнуть более или менее основательному обогащению.
308
Каковы бы ни были методы этого обогащения, вся задача его состоит в том,
чтобы руду сделать более пригодной для процесса выплавки железа в
доменной печи.
Большие глыбы руды должны быть подвергнуты измельчению в
механических установках, ибо они, во-первых, имеют слишком малую
поверхность и, во-вторых, могли бы доставить трудности при загрузке
доменной печи. Слишком мелкая руда также не представляет собой иде-
ального состояния, ибо она могла бы легко закупорить печь, а это рав-
носильно прекращению процесса производства. Имея дело с такой пы-
левидной рудой, необходимо ее брикетировать и по возможности уже
при этом смешивать руду с добавками и коксом. Таким путем будут соз-
даны наиболее благоприятные условия для реакции.
Не всегда металлург находится в столь благоприятном положении,
что он имеет возможность доставлять для своей домны чистые и высокоцен-
ные руды. Но те страны, которые располагают лишь незначительными ко-
личествами железных руд или рудами менее высокого качества, оказыва-
ются вынужденными все же перерабатывать и такие руды. Пустая порода
таких руд непроизводительно обременяет доменную печь и затрудняет вос-
становительный процесс и процесс выплавки. Поэтому при переработ-
ке этих руд необходимо предварительно, по возможности тщательнее от-
делять их от «пустой породы».
Для такого обогащения имеются разнообразные методы, которые мо-
гут быть применены в зависимости от условий того или иного случая.
Относительно простым методом является тот, который применяется
при обогащении магнитного железняка, ибо этот последний может быть
отделен при помощи большого электромагнита от породы, не отличающей-
ся магнитными свойствами.
Имея дело с рудами, загрязненными глинистыми составными частями,
можно удалить глину путем отмучивания. При этом тяжелая руда остается
неотмученной.
Часто применяют также и метод флотации. При этом мелко раздроб-
ленная смесь руды с породой обрабатывается большими количествами воды
с примесью небольших количеств минеральных масел и кислот. Масла
смачивают только одну руду, но не смачивают породу. Если после этого
через жидкость продувать сильную струю воздуха, которая энергично
взбалтывает всю смесь, то пузырьки воздуха будут присоединяться толь-
ко к частицам руды, смоченным маслом. Благодаря этому эти частицы сде-
лаются легче и будут всплывать вместе с пеной на поверхность жидкости,
в то время как частицы пустой породы останутся на дне. Окутанные в пену
частицы руды будут непрестанно извлекаться из смеси и затем очищаться
от пены действием воды.
В качестве пиротехнического метода обогащения можно упомянуть о
методе Крупп а—Р е н н е, который в существенных чертах основан на
прежних методах получения железа.
Основой всей установки является вращающаяся печь длиной около
50 ж, установленная в несколько наклонном положении и медленно вра-
309
щающаяся вокруг своей длинной оси. Через верхний конец в печь посту-
пает смесь измельченной руды с низкокачественным коксом. На протя-
жении следующих 6—8 часов загруженная в печь смесь в результате вра-
щения оказывается перемещенной к нижнему концу печи. За это время
протекают процессы, необходимые для обогащения железа. В первой зоне
предварительного нагрева руда высушивается и подогревается. Химиче-
ские реакции при этом еще не протекают, ибо температуры, необходимые
для их течения, еще не оказываются достигнутыми. Лишь в средней вос-
становительной зоне, в которой господствует температура от 600 до 1100° С,
начинается течение химических реакций. Здесь прежде всего протекает
Перемол
Крица и шлаки
Смесь кокса и руды с ма-
лым содержанием железа
Рис. 136. Получение шихты по методу Круппа—Ренне.
Сито с крич-
ными части'
К”-” цами
Бедные
шлаки
взаимодействие окиси углерода с рудой и при этом окислы железа восста-
навливаются с образованием металлического железа, которое, однако,
ввиду пока сравнительно невысокой температуры еще не переходит в жид-
кое состояние, но имеет консистенцию губчатого железного теста. Шлаки
и железо еще остаются как таковые мелко раздробленными и хорошо пе-
ремешанными друг с другом. Разделение обоих компонентов происходит
в последней зоне, так называемой кричной зоне, которая особенно сильно
нагревается путем сжигания в ней добавочного пылевидного топлива и в
которой господствует температура около 1250°. Благодаря непрерывному
вращательному движению печи шлаки и частицы губчатого железа разде-
ляются друг от друга, и при этом железо соединяется в более крупные кус-
ки — крицы. Крицы и шлаки покидают печь, проходят через мельницу,
в которой, однако, измельчаются только хрупкие частицы шлака с образо-
ванием зерен диаметром ниже 1 мм. Все, что после этого может просеяться
через сито с отверстиями в 1 мм,представляет собой шлак или самые мель-
чайшие частицы кричного железа, в то время как в среднем 80% желе-
за остается в виде более крупных кусков кричного железа на сите. При
помощи магнита можно отделить из просеянного мелкого порошка со-
310
держащееся в нем железо от шлака, после чего железную пыль снова
пропускают через вращающуюся печь.
Полученное при этом железо нельзя тотчас же применять в дело, ибо
оно сильно загрязнено, в особенности примесью серы, содержавшейся в уг-
ле. Обыкновенно его предварительно перерабатывают в домне, из которой
и получают в виде чугуна.
Наконец, рассмотрим и процесс обжига руды. И при этом процессе
задача также состоит в обогащении сырья железом, так как при нагре-
вании в токе воздуха летучие составные части удаляются и затем уже
не обременяют бесполезно объем домны. Это мы можем очень явственно
проследить при обжиге железного шпата, в результате которого образует-
ся более богатая по содержанию железа окись железа:
4FeCO34-O2~> 2Fe2O34-4CO2.
Аналогично этому протекает реакция и при обжиге бурого железня-
ка, который при этом переходит в безводный красный железняк.
При обжиге пирита цель этого обжига состоит в переведении серни-
стого железа в окись железа, которая затем в доменной печи восстанав-
ливается углеродом до железа. Такой результат непосредственно для
сульфида был бы невозможным. Протекающая в этом случае реакция
в соответствии с уравнением
4FeS2 +1Ю2 -> 2Fe2O3+8SO2
дает возможность получать очень важный для производства серной кисло-
ты исходный полупродукт — двуокись серы. При получении серной ки-
слоты пирит обжигается в рудообжигательных печах, представляющих со-
бой большие печи, в которых обжигаемый материал сверху медленно дви-
жется книзу, в то время как снизу вдувается воздух. В значительной сте-
пени в настоящее время применяют обжиг также и во вращающейся печи,
в печах пылевидного обжига и в кипящем слое.
Получение чугуна из руды, т. е. восстановительный процесс, при ко-
тором рол ь восстановителя играет углерод, осуществляется в доменной печи,
или домне. Нам всем хорошо знакома эта изображенная на рисунке 137
мощная шахтная печь высотой от 20 до 35 м, состоящая из двух усечен-
ных конусов, из которых верхний длиннее нижнего; оба эти конуса соеди-
нены друг с другом своими более широкими основаниями.
Вся печь опирается на массивный фундамент. Легко себе представить,
что этот фундамент должен выдерживать весьма значительную нагрузку.
Сама печь имеет большой вес, но этот вес еще значительно увеличивается,
когда печь находится в действии благодаря весу наполняющих домну руды,
кокса и добавок, или флюсов.
Покоящаяся на основании (поде) печи цилиндрическая часть назы-
вается горном. К нему присоединены имеющие форму усеченного конуса
заплечики домны, которые переходят через распар домны и через шахту
в колошник, находящийся в верхней части домны.
Вся домна строится из высокожароустойчивого шамотного кирпича.
У нижней части домны, и уже во всяком случае у ее горна, в котором гос-
311
подствуют наивысшие температуры, необходимо интенсивное внешнее во-
дяное охлаждение стенок. Для того чтобы выдержать громадное давление,
направленное во внешние стороны, домну снаружи окружают либо желез-
ным кожухом, либо сдерживают тесно сжимающими ее железными об-
Рис. 137. Схема домны,
ручами, следующими непосредственно друг за другом. Окружающий дом-
ну остов служит также для равномерного распределения давления верх-
ней части домны по плоскости более значительного основания, и он же,
наконец, поддерживает и колошниковую площадку, с которой осущест-
вляется загрузка домны.
312
В очаге, находящемся в нижней части горна, собирается жидкий чу-
гун. Чтобы его спустить, что обычно происходит через каждые 4—6 ча-
сов, открывают одно отверстие, находящееся непосредственно над подом
печи и обычно закрытое глиняной пробкой. Подобным же образом по-
ступают и при выпуске шлаков. Ввиду того что шлаки легче железа, они
вследствие этого всплывают над железом. Поэтому отверстие для спуска
шлаков находится немного выше отверстия, из которого спускают чугун.
Спуск шлака облегчается тем, что ему дают возможность непрерывно вы-
текать через отверстие. Он стекает по шлаковому желобу или собирается
в заранее подготовленные по соседству движущиеся по рельсам вагонетки,
которые и увозят его от домны.
При перечислении исходных материалов мы до сих пор упомянули
только о руде и о коксе. Однако нам не следует забывать также и о воз-
духе, точнее говоря, о кислороде воздуха, который, во-первых, вступает
во взаимодействие с коксом и производит необходимую для восстановле-
ния руды окись углерода и, во-вторых, обусловливает создание необхо-
димой для этого высокой температуры. Этот воздух, или это дутье, как его
называют на языке металлургов, продувается нагнетательной воздухо-
дувкой через многочисленные фурмы. Фурмы изготовлены из железа и дол-
жны были бы в результате господствующей здесь высокой температуры
очень скоро расплавиться, если бы они не подвергались непрерывному
охлаждению водой. На приведенном выше рисунке мы видим широкую
кольцевую трубу, служащую в качестве воздушного резервуара. От этого
резервуара отходят значительно более узкие трубки, подводящие воздух
к отдельным фурмам.
Загрузка домны производится с колошниковой площадки и в более
или менее современных установках осуществляется механически. На верх-
нем конце домна закрывается колошниковым колоколом. Благодаря этому
отходящие газы не выпускаются на воздух и не пропадают. Вследствие
содержания окиси углерода колошниковые газы являются горючими и
поэтому могут быть использованы для выделения энергии. В то время как
раньше газы могли беспрепятственно уходить в воздух и при выходе из
домны поджигались, в настоящее время имевшие столь романтический вид
доменные печи с далеко заметными горящими над ними факелами совершен-
но исчезли и по соображениям целесообразности должны были уступить
место другим устройствам.
Как это видно на рисунке, колошниковые газы поступают тотчас же
при выходе из домны в более широкую трубу. В этой трубе дымовая камера,
находящаяся на переднем плане, освобождает эти газы от захваченной
зольной пыли, и они либо направляются для нагревания воздуха в возду-
хонагреватели, либо используются для приведения в движение моторов,
либо, наконец, направляются в качестве горючего по трубам на дальние
расстояния. При помощи наклонных подъемников исходные продукты, как
например руда, кокс и флюсы, доставляются к колошнику и засыпаются
в домну при помощи колошникового затвора, устроенного таким образом,
что загрузка осуществляется без потери газа. Воронка колошника снаб-
313
Рис. 138. Доменный газовщик за работой.
жена двумя затворами, из которых один остается всегда закрытым. Такая
шлюзовая система дает возможность производить загрузку шихты в домну
без потерь. В домну руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями.
Рассмотрим теперь процессы, протекающие внутри доменной печи.
После загрузки шихты материалы,
жутся книзу, в то время как
воздух продувается через
домну в противоположном
направлении. В том месте,
где этот воздух поступает в
домну, он вступает во взаимо-
действие с углеродом, и здесь,
разумеется, господствует наи-
высшая температура. Мы
здесь имеем температуру от
1700 до 1800°С, которая по
мере продвижения кверху
все более и более понижает-
ся, и в верхней части домны—
в колошнике она доходит до
200°С. Эти различные темпе-
ратуры, разумеется, оказы-
вают существенное влияние
на течение реакции. В наи-
высшей, наиболее холодной
зоне доменной печи не проте-
кают никакие реакции, ибо
температура в 200° для этой
цели слишком низка. Здесь
загруженная шихта высуши-
вается и подогревается. Та-
кие руды, которые, подобно
бурому железняку, содержат
больше количества воды в
непрочно связанной форме,
теряют при этом свою воду.
По мере того как внизу
железо и шлак плавятся и выпускаются из домны, заранее составленная
шихта медленно опускается на смену металлу и шлаку и при этом
попадает во все более и более нагретые зоны. В шахтной части печи темпе-
ратура доходит до 400°С, и здесь протекают уже и первые химические
реакции. Вдуваемый кислород воздуха вступает во взаимодействие с угле-
родом с образованием двуокиси углерода; двуокись углерода при дальней-
шем повышении температуры приходит во взаимодействие с новым коли-
чеством углерода и восстанавливается до окиси углерода:
С+О2 СО2; СО2-}-С — 2СО.
поступившие сверху, медленно дви-
Колошниковый . ,
газ Руда, кокс, флюсы
2ОО*С
Дутье
Шлак
со2+с=гсо
СО2+С=2ОО
2О+С=СО2
3Fe2o3+co=2FeiO4-i-co2
СО2+С=2СО
Fe2 о4+ co_=3Fe о -ь со2
СО2+С=2СО
Fe0+co=F^C02
Fe+2Co=^Fe+c)+ со2
Рис. 139. Зоны реакций в домне.
I
Восстанови-
тельная зона
Зона'
Плавления*
Зона предварителр
ного нагрева
ЦОО°С
9ОО°С
Зона науглеро*
жавания
7700-7800*2
Дутье
Чугун
315
Эту окись углерода мы можем рассматривать как не до конца сгорев-
ший углерод. Она представляет собой хорошее восстанавливающее веще-
ство, причем с поглощением кислорода она переходит в двуокись углерода.
При взаимодействии ее с окисью железа образуются железо и двуокись
углерода, что можно выразить следующей схемой:
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2.
Правда, и эта реакция не протекает сразу от окиси трехвалентного
железа до металлического железа, а проходит через несколько стадий,
причем содержание железа в образующихся промежуточных продуктах все
более и более возрастает:
3Fe2O34-CO 2Fe3O4+COo,
Fe3O4+CO — 3FeO + CO2,
FeO+CO -* Fe+CO2.
В общем протекают следующие постепенные реакции восстановления
руды, содержащей незначительное количество железа, с образованием чу-
гуна:
Fe2O3 —* Fe3O4 — FeO —* Fe
69,9 72,3 77,7 100% железа.
До сих пор мы рассматривали в качестве восстановительного сред-
ства исключительно только окись углерода, образованную из угля. Лишь
при дальнейшем опускании смеси загруженных материалов в область
более высоких температур осуществляются также и непосредственные ре-
акции взаимодействия окиси железа с углеродом. Однако эти реакции
по своему значению уступают первым реакциям:
Fe3O4 + 2C — 3Fe+2CO2.
Все эти реакции начинаются в верхней части доменной шахты при тем-
пературе около 400°С, а завершаются в нижней части доменной шахты при
температуре, возросшей до 900°. Образовавшееся после этого железо еще
не является жидким, ибо температура плавления чистого железа дости-
гает 1530°С. Железо в этих условиях имеет губчатую структуру. На его
поверхности, которая вследствие пористой структуры должна иметь весьма
значительную величину, происходит каталитически ускоренный распад
окиси углерода. Этот процесс может быть представлен следующим уравне-
нием:
2CO--CO2+C.
Углерод, образующийся в виде мелкого порошка, поглощается желе-
зом при частичном образовании карбида железа, или цементита Fe3C:
3Fe4-C~* Fe3C.
В результате этого точка плавления железа понижается; каждый про-
цент углерода, содержащегося в сплаве, понижает точку плавления в сред-
316
нем почти на 100°. На протяжении этих реакций содержание углерода по-
вышается приблизительно на 4%, благодаря чему точка плавления пони-
жается от 1530 до 1080°С. Такая температура достигается также на пере-
ходной границе между шахтой и заплечиками домны, и здесь, следова-
тельно, также происходит плавление чугуна, который затем собирается
в нижней части горна.
Вместе с рудами в домну поступают не только соединения железа, но
в смеси с ними большей частью содержатся, несмотря на предварительную
обработку и обогащение, также и пустые породы, являющиеся балластом.
Эти породы должны непрестанно удаляться из домны, дабы не закупорить
ее. Такая закупорка невозможна только благодаря тому, что порода также
может переходить в жидкое состояние и выходить из домны в виде шлака.
При этом пустая порода может состоять преимущественно из известко-
вых составных частей или же может иметь и кислый характер и в этом слу-
чае состоять главным образом из двуокиси кремния SiO2. Наконец, эта
порода может иметь и глинистый характер. Однако все эти породы, взя-
тые в отдельности, не плавятся при температурах, господствующих в
домне. Так, окись кальция, которая образуется при сильном нагревании
карбоната кальция, плавится лишь при 2570сС, двуокись кремния —
при 1710°, а глинозем — при 1600°. Все эти температуры не бывают до-
стигнуты в реакционной зоне домны. Поэтому металлург должен так под-
бирать состав своей шихты, чтобы в результате протекающих в домне ре-
акций образовывались соединения, отличающиеся значительно более низ-
кими точками плавления. Если пустая порода имеет главным образом ки-
слый характер, то добавляемые флюсы в своей существенной части должны
состоять из известняков. В этих случаях образуются соединения кальция
с кремниевой кислотой, отличающиеся более низкой точкой плавления.
При известковой породе, соответственно, флюсы должны иметь кислый
характер.
Путем соответствующего смешения и дозировки флюсов, а также
путем перемешивания руд с различными жильными породами можно
подобрать смеси таким образом, чтобы образовавшийся шлак оказался лег-
коплавким. Если этого не случится, то для доменной печи возникнет опас-
ность ее закупорки, которая может быть ликвидирована лишь путем зна-
чительных денежных затрат и длительной приостановки производства.
Наоборот, при нормальных условиях доменная печь может находиться в
непрерывном действии целыми сутками в течение многих лет, до тех пор,
пока не потребуется ремонт ее стен.
Существенно важным является, чтобы плавление шлаков начиналось
лишь в горне, т. е. уже после того, как завершится полностью восстановле-
ние окислов железа. Это требование имеет весьма большое значение. Если
мы будем иметь дело с породой, которая отличается сильно кислым харак-
тером, то эта порода в горне будет взаимодействовать с известковыми флю-
сами с образованием силиката кальция соответственно уравнению:
2СаО + SiO2 —* Ca2SiO4.
317
Если бы в этой части доменной печи еще присутствовали окислы желе-
за, например FeO, то реакция частью протекала бы соответственно урав-
нению:
2FeO + SiO2-> Fe2SiO4.
Другими словами, значительная часть железа перешла бы в шлак и»
таким образом, оказалась бы потерянной. При нормальном производстве
содержание железа в шлаке не должно превышать 1,5%.
Как уже было сказано, жидкий шлак всплывает над расплавленным
железом. Результатом этого одновременно является и то обстоятельство,
что горячее и, следовательно, весьма реакционноспособное железо ока-
зывается при этом защищенным от действия воздуха, который вдувается
в домну непосредственно над жидким чугуном и который без защитного
слоя шлака снова превратил бы только что перед этим восстановленное
железо в окислы железа.
Прежде чем обратиться к более подробному рассмотрению чугуна и
способов его дальнейшей переработки, рассмотрим сначала другие побочные
продукты доменного процесса. Не подлежит сомнению, что чугун является
главным продуктом, однако весь металлургический процесс можно было
бы организовать много целесообразнее с хозяйственной точки зрения, если
бы нам удалось улавливать образующиеся одновременно побочные про-
дукты и изыскать возможность для их использования.
Остановимся сразу же на утилизации шлаков, которые образуются
в значительных количествах. Ввиду того что во многих местах поне-
воле приходится во все возрастающем количестве использовать для
выплавки металла руды, содержащие лишь незначительное количество
металла, выход шлаков стал значительно большим сравнительно с минув-
шими временами. Большая домна, которая ежедневно выплавляет
1200 т чугуна в день, образует за тот же срок в среднем от 900 до
2000 т шлаков, характеризующихся средним составом 35—48% СаО,
30—40% SiO2, 8—20% А12О3 и 0,5—1,5% FeO. Практиковавшееся
ранее сбрасывание шлаков в кучи в настоящее время недопустимо,
хотя бы по причине недостатка площади, тем более, что все в большей и
большей степени изыскиваются возможности использования доменных
шлаков. Так, например, они идут на отливку камней, применяемых для
мощения улиц, или в измельченном виде они используются для той же це-
ли в качестве щебня или песка. При быстром охлаждении можно получить
из них шлаковую шерсть, служащую прекрасным изоляционным материа-
лом. Богатые известью шлаки перерабатываются во все возрастающей мере
для производства железопортландского цемента.
Равным образом и колошниковые газы в настоящее время получили
полное использование. Они имеют для внутризаводской энергетики метал-
лургического завода весьма большое значение. Собственно говоря, следо-
вало бы считать, принимая во внимание уравнения протекающих в домне
реакций, что остающиеся газы состоят только из азота и двуокиси угле-
рода, ибо кислород из воздуха используется для образования окиси угле-
318
рода, а эта последняя в свою очередь переходит при восстановлении окис-
лов железа в двуокись углерода. Однако на практике выясняется, что ко-
лошниковые газы имеют следующий состав: 55—60% азота, 24—28% окиси
углерода СО и 12—16% двуокиси углерода СО2. Отсюда мы можем заклю-
чить, что значительная часть окиси углерода ускользает из доменной печи.
Но при последующем сжигании каждый кубический метр колошниковой
газовой смеси может выделить количество энергии, равное 900 ккал.
Это не очень много: городской газ дает на такой же объем газа круг-
лым числом 4000 ккал. Однако не следует забывать, что колошниковый
газ образуется в качестве побочного продукта и, разумеется, так или ина-
че должен найти себе применение. Кроме того, он образуется в очень
больших количествах. Подсчет показывает, что на каждую тонну чугуна
образуется около 5000 м3 колошниковых газов, которые при их сжигании
выделяют круглым числом 4 500 000 ккал. Если мы эту цифру перечислим
в соответствии с упомянутыми выше данными на городской газ, то мы
получим около 1100 м3. При домне, производящей в день 1200 т чугуна,
получается количество колошниковых газов, равное 6 000 000 м3 газа,
что соответствует в среднем 1 300 000 м3 городского светильного газа.
Колошниковые газы не содержали бы окиси углерода и вследствие
этого были бы непригодны для дальнейшего использования, если бы все
реакции внутри домны протекали бы только в одном направлении, а имен-
но в том направлении, в котором протекает процесс восстановления.Однако
этого, как и почти при всех реакциях, не происходит. Наряду с желатель-
ной реакцией восстановления окислов железа
FeO+CO — Fe+CO2
протекает также и противоположная реакция, при которой снова образу-
ются FeO и СО, а именно:
Fe+CO2 — FeO+CO.
Дело доходит при этом до установления состояния равновесия.
В связи с большим избытком окиси углерода и благодаря тому, что
двуокись углерода тотчас же уносится потоком газов из реакционной си-
стемы, равновесие в значительной степени сдвигается в пользу образова-
ния железа.
Реакциями, находящимися в равновесном состоянии, оказываются
и все другие процессы, протекающие внутри домны; таким образом, при-
менением избытка окиси углерода объясняется присутствие значительных
количеств этого газа в колошниковых газах.
Около 40% образовавшегося колошникового газа сжигают в доменных
воздухонагревателях1. Это количество окиси углерода служит для предва-
рительного подогрева подаваемого в домну воздуха. Эти подогреватели
дутья, высокие, ровные конструкции, замкнутые полусферическим сводом,
1 Доменные воздухонагреватели, применяемые в настоящее время, предложены
в 1857 г. английским инженером Каупером, по имени которого они и называются часто
кауперами. (Ред.)
319
представляют собой самые типичные атрибуты домны, причем на каждую
домну в среднем приходится от 4 до 5 подогревателей дутья. Мы можем
себе их представлять в основном в качестве чрезмерно больших кафельных
печей для подогрева газа, что подтверждается также их внутренним устрой-
ством и задачей их применения. Если бы в домну нагнетался извне холодный
воздух, то очень значительная часть тепла пропадала бы даром для печи,
ибо поступающий извне холодный воздух,количество которого составляет
от 3 До 4 млн. м3 в день, должен был бы подвергнуться нагреванию до
температуры печи. Максимально достижимая температура была бы ниже
необходимой. Это обстоятельство, ра-
зумеется, затруднило бы процесс
плавления и потребовало бы боль-
шего расхода кокса. Обоих этих
последствий можно избежать, вдувая
в домну воздух, уже предварительно
подогретый. Это нагревание и осу-
ществляется в подогревателях дутья.
Последние состоят в существенной
части из пустой камеры, выстланной
шамотными кирпичами; в эту камеру
в первую очередь вдувают воздух,
смешанный с колошниковыми газами,
причем колошниковые газы сгорают
в камере сгорания. Горячие топлив-
ные газы пропускают через кафель-
ную сеть, которой они отдают боль-
шую часть своей теплоты. Когда ка-
фели нагреваются до светло-красного
каления, доступ колошникового газа
приостанавливают и его направляют
в другой подогреватель дутья. Меж-
ду тем через первый нагретый подо-
греватель дутья теперь уже пропус-
кают воздух в противоположном на-
правлении прежде чем его направить
в домну. Воздух при этом подогре-
вается до 500—800°С. Если подо-
греватель дутья охладится слишком
сильно, то продувание внешнего воз-
Рис. 140. Схема каупера.
духа снова приостанавливают, и всю
последовательность процессов начи-
нают снова.
Ввиду того что предварительное подогревание воздуха обыкно-
венно требует вдвое большего времени, чем его охлаждение, в каждой
домне всегда нагревают по два подогревателя дутья; в третьем подогрева-
ют внешний воздух, а четвертый является запасным.
320
Другая часть колошниковых газов, основательно очищенная от
пыли, служит для приведения в движение газовых моторов, которые в
свою очередь приводят в движение электрогенераторы. Если в металлур-
гический комбинат включен также и сталелитейный завод, то последнему
предоставляется значительная часть колошниковых газов для отопитель-
ных целей.
В заключение необходимо заметить, что тот продукт, который по-
ступает из домны в качестве чугуна, можно назвать чем угодно, но не чи-
стым элементом.
На протяжении процесса восстановления первично образовавшиеся
ничтожно малые кусочки железа находились в теснейшем контакте с при-
месями, загрязняющими уголь и руду, а также с самим углем и поглотили
все эти примеси в количестве до 10% от их собственного веса. Содержание
только одного углерода составляет круглым числом 4% и обусловливает,
как мы уже знаем, понижение точки плавления металла. Наряду с этим чу-
гун содержит всегда еще в переменном количестве фосфор, серу, марганец
и кремний.
Чем отличается серый или литейный чугун от белого чугуна? В сером
чугуне содержащийся в нем углерод ик
присутствием которых и объясняется
образуется всегда в тех случаях, ко-
гда железо относительно богато содер-
жанием кремния, ибо последний не
дает возможности углероду и железу
вступить во взаимодействие друг с
другом с образованием карбида же-
леза или цементита Fe3C, как это
имеет место при белом чугуне.
Серый чугун не только приме-
няется для производства из него ста-
ли, но и используется сам по себе
для отливки из него многих пред-
метов. Несмотря на то что чугун
тверд и хрупок и не поддается ни
ковке, ни сварке, и несмотря на то
что он при резких толчках легко
раскалывается, он может без пред-
варительной обработки быть исполь-
зован для производства таких дета-
лей, как, например, печи, гидранты
еет форму малых листочков графита,
серый цвет его. Такой серый чугун
Рис. 141. Грзфит в сером чугуне — шлиф
под микроскопом.
и т. п., которые не должны испытывать чрезмерных механических напря-
жений. Ввиду того что при охлаждении чугун испытывает в некоторой
степени расширение, он заполняет после охлаждения в формах эти формы
полностью и благодаря этому хорошо и точно воспроизводит модель.
Несмотря на то что чугун может найти непосредственное применение,
все же в большинстве случаев он перерабатывается не на чугунолитейном
21 3. Шпаусус
321
заводе: его переработка производится уже на других заводах. Будучи
получен в домне, чугун, предназначенный для литейных целей, выли-
вается в песчаные изложницы, где он застывает с образованием «чушек».
Эти чушки затем поступают в литейные цеха. Здесь они расплавляются в
так называемой вагранке, причем этот процесс часто связан с дальней-
шим облагораживанием чугуна.
Белый чугун приобрел многообещающее название «твердое литье»,
и все же это обозначение является до некоторой степени обманчивым. Прав-
да, отливки из белого чугуна чрезвычайно тверды, настолько тверды, что
последующую обработку можно осуществлять с большими трудностями.
Но именно в этом случае последующая обработка кусков чугуна является
необходимой, ибо он немного сжимается в форме и поэтому отливка не
всегда соответствует тонкой структуре формы. По этой причине этот чугун
не в таком количестве идет на непосредственную отливку, в каком он пере-
рабатывается на сталь. Как уже сказано, он отличается более светлым
цветом, чем серый чугун. В то время как в сером чугуне углерод внедрен в
железную массу в виде небольших графитовых листочков, в белом чугуне
он образует с железом химическое соединение. Содержание в нем марганца
является относительно высоким, а кремний содержится в значительно
меньшем количестве.
Серый чугун Белый чугун
Окраска Строение Состав в % Углерод Твердость Применение Серая Зернистое С Si Мп Р S 3,5 2,5 0,5 1,0 0,05 В виде внедренных небольших графитовых листочков Относительно мягкий Литейный чугун и производство стали Белая Кристаллическое С Si Мп Р S 3,7 0,7 3,5 0,3 0,03 Содержится в виде соединения цементита Очень твердый Главным образом для переделки на сталь
Производство чугуна является первым этапом в металлургии желе-
за. Его облагораживание с образованием стали представляет собой очень
важный второй этап производства.
ОТ ЧУГУНА к СТАЛИ
Как вы видели, чугун отличается многими неблагоприятными
свойствами, которые в существенной части основаны на загрязнении же-
леза примесью углерода и других веществ. Частичное удаление при-
месей улучшает качество чугуна и превращает его в упругую, вязкую
массу, поддающуюся повышению ее твердости и переработке,— сталь.
Однако для этого необходимо понизить в чугуне содержание углерода от
4% до 0,5—1%.
322
Еще одно обстоятельство следует кратко осветить в этой связи. В же-
лезе речь идет не только о количестве содержащегося в нем углерода; не
менее важным является и характер сочетания этого углерода с железом.
Исследование структуры разных сортов железа развилось в целую само-
стоятельную науку, и за последние десятилетия очень многое стало извест-
но относительно тонкой структуры металла, причем во многих случаях
могли быть точно обоснованы старинные эмпирические металлургические
достижения.
Железо состоит из кристаллов. В первый момент это утверждение мо-
жет удивить нас. Однако почему железо не может существовать, как и боль-
Рис. 143. Мартенсит — шлиф под
микроскопом.
Рис. 142. Феррит — шлиф под микро-
скопом.
шинство других элементов, в кристаллическом состоянии? Отдельные кри-
сталлы ведь не должны непременно быть всегда заметны невооруженным
глазом. Чистое железо, называемое также ферритом, показано на нашей
микрофотографии. Явственно заметны на ней отграниченные друг от друга
кристаллы.
При нагревании железа к атомам — структурным элементам кристал-
лов — подводится дополнительное количество энергии. Эта энергия про-
является во все увеличивающемся движении атомов около их положения
равновесия. Металл в возрастающей степени становится более и более
рыхлым. Железо становится мягким и легко поддающимся механической
обработке, и, наконец, наступает момент, когда кристаллическая решетка
железа разрушается и достигается его жидкое агрегатное состояние. Это
жидкое железо обладает способностью растворять значительное количе-
ство углерода. Кроме того, железо и углерод могут взаимодействовать с
образованием химического соединения — уже поименованного выше цемен-
тита Fe3C.
21* 323
В зависимости от содержания углерода процесс охлаждения проте-
кает, сопровождаясь и другими структурными превращениями. В первую
очередь растворимость для углерода, в соответствии с самым общим пра-
вилом, понижается по мере понижения температуры. Углерод выделяется
и сначала может присутствовать в кристаллах железа в виде так называе-
мого твердого раствора. Под микроскопом мы видим смешанные кристаллы
этого твердого раствора в виде беспорядочного волокнистого сплетения, так
называемого мартенсита. Последний является неустойчивым образова-
нием и при дальнейшем охлаждении распадается, причем выделяется чистое
железо (феррит). Остающиеся смешанные кристаллы, которые становятся
все более и более богатыми по содер-
жанию железа, наконец распадаются
на феррит и цементит: под микроско-
пом этот перлит выявляется в каче-
стве тонкоисчерченного образования,
обнаруживая темные полосы феррита
в светлом цементите. Уже из рисунка
можно догадаться, что подобная сталь
будет проявлять весьма высокую
прочность. Эти превращения проис-
ходят в тех случаях, когда сталь
будет иметь достаточное время для
своего охлаждения и когда отдельные
структурные элементы решетки и ча-
стицы углерода будут иметь возмож-
ность спокойно занять свои места.
Как только они займут свое наиболее
благоприятное положение, мы полу-
чим «выравненную» вязкую и мягкую
сталь.
Рис. 144. Перлит — шлиф под
микроскопом.
Иначе будет обстоять дело в том случае, если железо очень быстро
охладить путем погружения в воду, в минеральное масло или в расплавлен-
ную соль. В этом случае углерод выделится столь быстро, что упорядочен-
ное распределение частиц уже станет невозможным. При этом образуется
мартенсит, в котором закреплено неравновесное состояние, несвойственное
стали при нормальной температуре. Такая сталь очень тверда, но зато
отличается и большой хрупкостью. Только после отпуска при нагревании
ее частицы снова станут подвижными и займут соответствующие им места.
При этом, правда, твердость частично пропадет, но зато укрепится
кристаллическая структура стали.
Как уже сказано, знакомство со структурой железа, его превраще-
ниями при различных температурах и при изменяющемся содержании уг-
лерода само по себе представляет науку, которая не может быть исчерпана
несколькими законами.
Мы ограничимся этим коротким введением в вопросы состава и образо-
вания структуры железа и обратимся к более подробному рассмотрению
824
производства стали. При этом речь идет главным образом о снижении вы-
сокого содержания углерода в чугуне и об удалении других загрязнений,
ухудшающих качества стали.
Рис. 145. Конвертор.
Методы, применяемые в настоящее время для обезуглероживания
стали, разделяются на переделку чугуна путем продувки в конверторе
(к этому методу относятся методы Бессемера и Томаса) и на переделку
чугуна в кричном горне, применяемую в методе Сименса — Мартена.
Начнем с переделки чугуна путем продувки в конверторе. Англича-
нину Бессемеру в 1856 году пришла в голову идея устранять загрязняющие
325
Рис. 146. Миксер.
чугун примеси путем сжигания их в кислороде воздуха. Его опыт прошел
с хорошими результатами. Посторонние вещества в чугуне окислялись
и могли быть удалены из него; кроме того, при этих окислительных про-
цессах выделялось так много тепловой энергии, что непрерывно в переде-
лываемом металле господствовала температура, необходимая для переве-
дения в жидкое состояние образующейся стали, которая плавится лишь
при более высоких температурах.
Бессемеровские «груши» устанавливаются в сталелитейных цехах,
имеющихся при металлургических комбинатах, так что чугун может быть
переведен из домны в конвертор. Правда, это осуществляется не непо-
средственно, ибо обыкновенно несколько порций выпущенного из домны
326
металла собирают в одном смесителе (миксере) для тщательного выравни-
вания различий, могущих существовать в составе отдельных порций вы-
плавленного чугуна.
На рисунке 146 мы можем видеть, что такой смеситель представляет
собой большой чан. Из такого чана чугун поступает в ковши, которые
его транспортируют к конверторам. Эти конверторы представляют собой
грушеобразные сосуды, которые могут быть приведены во вращение в
станине вокруг их поперечной оси. Высота их достигает приблизитель-
но 8 ж, а их вместимость в среднем равна 40 т чугуна. Для заполнения
такую «грушу» поворачивают в лежачее положение так, чтобы находя-
щиеся на ее дне воздуходувные сопла не закупоривались жидким чугуном.
После этого начинают вдувать воздух, который поступает через вращаю-
щуюся шейку над воздушным резервуаром воздуходувки в сопла, имею-
щиеся на дне конвертора. Одновременно грушу медленно поворачивают,
покрывая чугуном отверстия для впуска воздуха, и через металл проду-
вают сжатый воздух. Наступает роскошная картина. Под влиянием кисло-
рода наряду с примесями сгорает и некоторое количество железа. Вместе
с газами из отверстия конвертора выбрасываются раскаленные частицы
шлака и железа, которые отводятся через дымовую трубу. Углерод, мар-
ганец и кремний сгорают с образованием окислов и выбрасываются силь-
ной струей сжатого воздуха из металла. Уже по прошествии 20 минут
большая часть этих веществ оказывается удаленной из металла, который
за это время уже превращается в сталь. Лишь фосфор и сера не удаляются
описанным путем из металла, или удаляются из него лишь в незначитель-
ной степени. Вследствие этого метод Бессемера может быть применен для
переделки чугуна, содержащего лишь незначительные количества фосфора.
Все реакции окисления, наступающие при дутье, имеют экзотермиче-
ский характер, вследствие чего содержимое конвертора является всегда
более нагретым, а в конце воздушного дутья температура плавления повы-
шается в связи с удалением угля до 1500° С.
Но как быть, если приходится иметь дело с рудами, богатыми фосфо-
ром? Имеется ли в таком случае какая-нибудь возможность удаления при-
меси фосфора? В течение долгого времени преодолеть это затруднение
казалось невозможным. Однако затем английский студент Сидней
Томас внес предложение выстилать «грушу» конвертора футеровкой,
отличающейся основным характером. Фосфор сгорает при продувке возду-
ха через металл с образованием пятиокиси фосфора — ангидрида фосфорной
кислоты. Пятиокись фосфора в этом случае вступает с материалом футеров-
ки основного характера в химическое взаимодействие с образованием
фосфата. Благодаря этому примесь фосфора удаляется из металла.
Двоюродный брат Томаса Перси Джилхрист с успехом ввел
в 1878 году в практику это предложение. В настоящее время переделка чу-
гуна путем продувки в конверторе производится почти исключительно
по методу Томаса, ибо этот метод дает возможность переработки чугуна,
полученного из весьма часто встречающихся руд, содержащих фосфор. Чу-
гун с малым содержанием фосфора в большинстве случаев перерабатывают
327
0,07-| 3,5 п
0,06- 3,0-
0,05-
Из
0,03- |
0,02
0,01-q
сь
Д2,5-
2,0-
15 -
1,0 -
0,5-
Минуты
Рис. 147. Характеристика процессов фришевания:
а — в конверторе Томаса и б—в конверторе Бессемера (при меньшем содержании
в чугуне фосфора) .
в сталь по методу Сименса — Мартена. В качестве имеющей основной ха-
рактер выстилки грушевидного конвертора Томаса применяют доломит —
породу, состоящую из карбонатов кальция и магния СаСО3 • MgCO3. Этот
материал образует при взаимодействии с пятиокисью фосфора трикаль-
ций-фосфат, который в смеси с перемолотым материалом футеровки пред-
ставляет собой ценное фосфорное удобрение. Метод продувки в конвер-
торе обыкновенно имеет своим результатом полное удаление углерода.
Однако ввиду того что такая сталь уже не может подвергаться закалке
и по этой причине лишь весьма редко является желательной, содержание
углерода в томасовой стали повышают путем последующего добавления
точно определенного количества богатого углеродом чугуна, благодаря
чему она переходит в ковкую сталь.
328
Равным образом и при производстве стали по методу Сименса —
Мартена задача состоит в том, чтобы окислить кислородом углерод и
другие примеси в чугуне и удалить продукты этого окисления. В то время
как в конверторе этот процесс протекает весьма бурно и эффектно под
влиянием продуваемого воздуха, печь Сименса — Мартена работает зна-
чительно менее эффектно, однако не менее основательно. Этот процесс был
выше определен как переделка чугуна в кричном горне. Поэтому установка
состоит в ее верхней части из выложенного кирпичом кричного горна, ко-
торый обыкновенно имеет футеровку основного характера, предназначен-
ную для поглощения могущего содержаться в чугуне фосфора. Газ коксо-
вой печи, или генераторный
газ, сжигают в избытке воз-
духа над жидким металлом,
благодаря чему с поверхно-
сти, которую преднамеренно
делают путем применения
плоской ванны очень боль-
шой, может начаться обез-
углероживание чугуна. Одна-
ко при этом не удовлетворя-
ются одним только кислоро-
дом воздуха, но для окисле-
ния нежелательных примесей
вводят изнутри еще дополни-
тельно кислород и таким об-
разом в значительной степени
интенсифицируют весь про-
цесс. Это осуществляют пу-
тем добавления к сплаву кус-
ков окалины, т. е. окислен-
ного железа. Но в этом слу-
чае процесс продолжается
значительно дольше, чем при
переделке чугуна методом
дутья, когдаонзаканчивается
уже через 20 минут. При
методе Сименса — Мартена
Рис. 148 Разрез конвертора Томаса.
приходится затрачивать на
это уже не 20 минут, а несколько часов. Однако этот метод имеет то
преимущество, что при его применении удается одновременно обезугле-
родить значительно большие количества чугуна, ибо размеры и емкость
очага могут быть гораздо большими, чем размеры и емкость конвертора.
Кроме того, при этом методе может быть переработана и весьма нежела-
тельная мелочь. Поэтому в настоящее время окалина, рудная мелочь
являются необходимыми даже в странах, богатых железной рудой, вслед-
ствие их значения при использовании для переделки чугуна по методу
329
Сименса — Мартена. Наконец, таким путем можно регулировать процесс
обезуглероживания значительно лучше и получать сталь с постоянными
свойствами.
Правда, и в этом случае достижение необходимых высоких темпера-
тур первоначально доставляло большие затруднения. Высказанная перво-
начально французским металлургом Мартеном идея о том, чтобы получать
сталь из чугуна путем его сплавления с окалиной, могла получить практи-
ческое осуществление лишь тогда, когда Сименс разработал печь, которая
Загрузочн. отверстий!
t 1
Горячие]
отходя-]
Горячее
дутьё~
ячее I | Горячий! (| { J >omxodfl-| i
1 г=
в t mi । I LU I м
llllllllll
llllllllll
’ Hill
llllll
llllll
llllll
llllll
III
III
III
III
III
Поступление свежего воз*
духа и холодного газа
в подогретые камеры
Сталь футеровка
Горячие отходящие]
газы, подогревающие]
камеры
llllllllll
““ПИНГ"
llllll
IIIIIL-
llllll
lllllll
Illi
Illi
II
II
II
Illi
IIIL______
llllllllll
llllllllll
П1ПГ—
llllll
llllll
llllll
tllllL__
llllllllll
Hill
Hill
Hill
Hill
Hill
Выход
охлажденных газов
Рис. 149. Схема печи Сименса — Мартена.
могла сохранять теплоту, необходимую для осуществления высоких рабо-
чих температур, и которую следует считать основой всей установки. Си-
менс разрешил эту проблему столь же простым, сколько гениальным мето-
дом. Нижняя часть сложенной из кирпича печи состоит из четырех камер,
выстланных шамотным кирпичом, наподобие строения пчелиных сотов. Го-
рячие отходящие газы не поступают непосредственно в дымовую трубу,
но предварительно пропускаются сначала через две камеры, которые мы
обозначим номерами 1 и 2. При этом шамотная кирпичная кладка нагре-
вается до красного каления. По достижении этого результата через указан-
ные две камеры засасывается поступающий извне свежий воздух и холод-
ный газ, в то время как горячие отходящие газы пропускаются теперь
уже через охлажденные камеры 3 и 4. В принципе мы уже познакомились
с этим нагревом при рассмотрении подогревателей дутья доменной печи.
330
Только после предварительного подогрева воздух и газ поступают в камеру
сжигания над очагом, где, разумеется, в результате протекающей реакции
окисления выделяется гораздо более значительное количество энергии.
До сих пор речь шла относительно стали, свойства которой в суще-
ственной степени обусловливаются тем, что в ней содержится определен-
ное количество углерода. Мы называем такую сталь углеродистой сталью
в противоположность легированным, или облагороженным, сталям, обя-
занным своими разнообразными выдающимися свойствами добавке к ним
одного или нескольких металлов. Эти стали, изготовляемые не в таких
значительных количествах, как углеродистая сталь, и имеющие очень вы-
сокую цену вследствие добавления к ним подчас весьма редких и доро-
гих составных частей, часто сплавляются в электропечах особых заводов.
При этом необходимая тепловая энергия доставляется при помощи элек-
трических дуговых нагревателей. Это связано с тем преимуществом, что
при таком методе нагрева исключено внесение в сплав загрязняющих
примесей, вводимых вместе с материалом топлива. В качестве приплавляе-
мых к стали добавок следует в первую очередь назвать хром, никель,
ванадий, молибден, марганец, кремний и в некоторых случаях различ-
ные другие металлы. Добавка никеля особенно сильно повышает вязкость
стали, добавка марганца и вольфрама повышает ее твердость. Весьма цен-
ной является хромоникелевая сталь, отличающаяся значительной твер-
достью и одновременно замечательной ковкостью. Сталь марки V2A не
ржавеет и отличается также стойкостью по отношению к действию кислот
и щелочей. Она состоит на 71 % из железа, на 20% из хрома, на 8% из
никеля и из следов кремния, марганца и углерода. Токарные резцы и в
особенности быстрорежущие резцы изготовляются из материала, не утра-
чивающего своей прочности даже при возникающих при их работе высо-
ких температурах. Такими свойствами прежде всего отличаются резцы,
содержащие вольфрам с добавкой хрома и ванадия.
Способностью стали образовывать с различными металлами сплавы,
которые вследствие их отличительных свойств могут быть приспособлены
для каждого специального назначения, объясняется ее все еще господст-
вующее положение в народном хозяйстве. Ее свойства могут быть видо-
изменены в такой разнообразной степени, что она находит в настоящее вре-
мя весьма широкое применение и в очень многих случаях является для
определенных целей наиболее пригодным или даже вообще единственно
пригодным из всех существующих материалов. Конечно, во многих случаях
сталь может находить себе замену — и даже с большим успехом,— но все
же она до сих пор сохраняет в связи со своей универсальной примени-
мостью и доступностью по цене свои ключевые позиции в мировом народ-
ном хозяйстве.
* *
*
Мы подходим к концу нашего очерка, в котором познакомились
со многими, однако далеко не со всеми данными относительно производства
чугуна и стали. Одно мы выяснили с несомненностью. Описанные металлур-
331
Рис. 150. Разлив стали.
гические и сталелитейные заводы являются комбинированными технически-
ми предприятиями. Они находятся в зависимости от использования раз-
личных машин и механических установок и требуют участия в их деятель-
ности людей с разносторонним опытом и основательными знаниями.
Этой техникой человечество овладело на протяжении приблизительно по-
следних 100 лет. И все же железо и сталь были известны людям еще в дав-
но минувшие времена.
Раскопки, при которых были найдены железные предметы, относятся
к периоду, от которого до настоящего времени протекло около 5000 лет.
Так, например, в щелях стен пирамиды Хеопса были обнаружены облом-
ки железных инструментов. Очень старинные находки железных предме-
тов в Малой Азии свидетельствуют о том, что искусство добывания и об-
работки железа было известно в весьма давние времена. Несмотря на то
что вообще принято считать самым древним каменный век, затем брон-
зовый век, и что только после этого наступил железный век, многие
археологи все же придерживаются того мнения, что железо стало известно
человеку ранее бронзы. Как бы то ни было, но установлено, что во времена
бронзового века железо уже было известно человеку.
Получение железа и изготовление железных орудий в древности
не ограничивалось только Египтом и Малой Азией. Свыше 2000 лет до на-
шей эры железо было уже знакомо жителям Китая и Индии. Желанным
и высокоценным металлом была сталь среди оседлых племен халибов
на берегу Черного моря, откуда ее вывозили и древние греки.
Не следует забывать и про различные африканские народности. Рас-
копки и предания позволяют сделать заключение, что здесь железо
выплавлялось из железных руд много тысяч лет тому назад и что
искусство добывания железа распространилось не из Египта и Малой
Азии во Внутреннюю Африку, а в обратном направлении. Добывание
железа из руды протекало или в примитивных домнах, или в плоских
ямах. Путем продувания воздуха достигалась необходимая высокая
температура.
Относительно негритянских племен мы знаем, что выплавка железа
принадлежала к весьма торжественным действиям и что она сопровожда-
лась многочисленными религиозными обрядами. Это вполне понятно, ибо
обладание оружием или инструментами давало данному племени большие
преимущества и пользу. В границах Европы также были обнаружены
железные предметы среди раскопок, относящихся к бронзовому веку. Прав-
да, такие находки являются исключительно редкими. В связи с дорого-
визной этого материала из него изготовлялись преимущественно украше-
ния, оружие или плуги. В то время надо было обнаружить большую сно-
ровку для получения мягкого ковкого железа, и еще труднее было полу-
чить хорошую сталь, которая могла бы быть использована для изготовле-
ния мечей. В старинных сагах о богах и героях всегда встречается кузнец,
который пользуется высоким всеобщим уважением. Вспомним хотя бы ле-
генду о кузнеце Виланде и о том, как королевский сын Зигфрид не постес-
нялся пойти в обучение к кузнецу.
333
Рис. 151. Извлечение брусков стали из изложниц.
Ценились также и железные плуги. Уложение «Саксонское зерцало»
устанавливало за кражу плуга смертную казнь. Находки шлаков и преда-
ния указывают на то, что уже в IV и V веках в Зигерланде и в Пфальце
добывалось железо. Добыча железа осуществлялась из руды в виде мяг-
кого железа. При этом руды нагревались древесным углем в ямах или низ-
ких газовых печах,изготовленных из глины или из камня. Древесный уголь
применялся в качестве восстановительного средства. Первоначально для
вдувания воздуха довольствовались естественной струей воздуха. Позд-
нее дополнительно воздух вдувался при помощи мехов, которые приводи-
лись в движение руками или энергией протекавшего поблизости ручья.
Этими мехами воздух вдувался в раскаленные угли, благодаря чему тем-
пература повышалась и реакция ускорялась. В нижней части печи нахо-
дилось отверстие, через которое мог стекать шлак. Железо при достигну-
334
той таким образом температуре не было жидким, но образовывало вязкие
мягкие глыбы — крицы, болванки. Время от времени огонь в печи заду-
вался, и крица извлекалась из печи, после чего она освобождалась от шла-
ка последующими ударами молота. Наконец, железо нагревали снова на
другом очаге и путем ковки перерабатывали на желательные предметы.
В виде исключения в те времена получали весьма бедное по содержа-
нию углерода ковкое и мягкое железо, не поддававшееся закалке; во всех
прочих случаях получалась способная к закалке сталь с несколько более
высоким содержанием углерода. Ввиду того что во время восстановитель-
ного процесса железо никогда не становится жидким, оно и не вступало
в реакцию в той степени, как мы это видели при рассмотрении процессов,
протекавших в домне, т. е. не поглощало большого количества углерода.
Лишь тогда, когда научились приводить в движение мехи при помощи во-
дяной энергии, удалось все более и более поднимать температуру, благо-
даря чему процесс протекал, правда, быстрее, однако содержание угле-
рода в железе увеличивалось. Первоначально полученный таким образом
чугун был признан имеющим весьма незначительную ценность, и обыкно-
венно применяли все усилия, чтобы получить железо возможно более чи-
стым. Но затем научились переделывать этот чугун и притом с большим
успехом, как это мы можем заключить по дошедшим до нас искусно сделан-
ным чугунным плитам для печей, гробниц и колодцев.
Ввиду того что при таком кричном обогреве железо не расплавлялось,
непрерывное производство чугуна оказалось невозможным; печи не могли
превышать определенных размеров, чугун в количестве до 50% перехо-
дил в шлаки и, таким образом, пропадал непроизводительно. Доменная
печь, предшественница нашей современной домны, появилась около
1700 года, разумеется, значительно более примитивная и меньшая по раз-
мерам и не имевшая современного технического оборудования. В качестве
восстановительного вещества до 1750 года применялся древесный уголь.
Однако его производство уже не могло идти в ногу со все возраставшей
потребностью в железе, в противном случае всем лесам Европы угрожало
бы полное уничтожение. После 1750 года оказалось возможным отказать-
ся,— сначала в Англии, где леса к тому времени уже угрожающе поре-
дели,— от производства железа с использованием древесного угля и пере-
строить доменные печи на использование кокса, как это практикуется по-
всеместно и в настоящее время. При этом обнаружилось, что вследствие
высокой температуры плавления в доменной печи может быть получен толь-
ко чугун, который должен затем для производства стали подвергнуться
обезуглероживанию. Оказалась необходимой последующая переделка
путем продувки, если не имелось в виду непосредственное использование
полученного чугуна для отливок. Сначала обратились к методу передел-
ки в кричных печах, причем при воздушном дутье при помощи мехов чу-
гун подвергался плавлению. Железо при этом время от времени подвер-
галось энергичному перемешиванию, так что и железо, находившееся внут-
ри, попадало на поверхность, где уголь сжигался действием окислительных
газов пламени.
335
Значительной рационализации кричного процесса добился Генри
Курт, введя в 1784 году метод пудлингования. Существенное значение
имело то обстоятельство, что и при этом методе оказалось возможным от-
казаться от применения древесного угля и ввести кричную печь, нагревае-
мую каменным углем. До этого времени пользоваться каменным углем для
непосредственного его приведения во взаимодействие с чугуном было не-
возможно, ибо при этом очень большое количество серы переходило в чу-
гун. Эту серу было чрезвычайно затруднительно затем удалить, и каче-
ство железа от этого сильно снижалось. Курт совсем не приводил уголь
в соприкосновение с чугуном, но сжигал каменный уголь на отдельном ко-
лошнике и обеспечивал нагревательный процесс при помощи газов пламени.
Эти газы проходили над самим очагом. Ввиду того что топочные газы сго-
рали в избытке кислорода, они окисляли находившийся на поверхности
уголь чугуна. В этом случае металл, находившийся на поверхности, все
время возобновлялся путем непрерывного перемешивания длинными пруть-
ями (англ, puddle — мешать), благодаря чему обезуглероживание распро-
странялось на всю массу металла. Пудлинговое железо также содержало
значительные количества шлаков, которые должны были быть удалены пу-
тем последующих ударов молотом и путем вальцовки.
Следующий шаг заключался в том, что воздух должен был взаимодей-
ствовать с металлом не только на поверхности, но и продуваться через жид-
кое железо, как это и предложил в 1856 году Бессемер. Первые его опыты
еще не принесли желаемого успеха, ибо чугун сначала затвердевал в груше-
видном конверторе. В результате сгорания примесей, заключавшихся в
чугуне, повышалась температура его плавления. Повышение температуры
могло быть достигнуто при продувании через него воздуха благодаря
экзотермической теплоте сгорания железа и содержащихся в нем примесей.
Правда, это происходило лишь тогда, когда продувались более значитель-
ные количества воздуха и когда они продувались быстрее, как это и делал
шведский металлург Г е р а н с о н. Последний таким путем и проло-
жил дорогу для бессемеровского метода.
После внедрения конверторов Томаса, в которых подвергалась пере-
работке наиболее богатая по содержанию фосфора европейская железная
руда, дальнейшее развитие металлургии перешло к печи Сименса — Мар-
тена, разработанной одновременно Сименсом и братьями Мартенами. Со-
временные конверторы, как и печи Сименса — Мартена, работают с зна-
чительно лучшими хозяйственными показателями, и они окончательно
вытеснили метод пудлингования.
Длинна и изменчива история производства железа. От примитивных
плавильных печей наших предков ее путь ведет нас через тысячелетия к
современным металлургическим комбинатам наших дней. И здесь мы так-
же видим, как повсеместно человеческие знания и достижения тесно спле-
таются друг с другом, как успех в одной области продвигает вперед другие
науки и отрасли промышленности. Железо и сталь представляют собой ос-
нову нашей техники и машиностроения, которые в свою очередь могут ра-
ционализировать и продвигать вперед добычу и переработку металла.
336
И ныне дальнейший прогресс не приостановился. В металлургических ла-
бораториях и промышленных предприятиях ученые, технологи и рабочие
трудятся, чтобы производить большее количество стали и чтобы повысить
ее качество. Облегчение выплавки металла из более бедных руд, замена
каменноугольного кокса бурым углем и торфом, развитие новых высокоцен-
ных легированных сортов стали представляют собой дальнейшие задачи
металлургии черных металлов.
ХИМИЯ и ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Что такое электричество? Почему течет электрический ток? Ответить
на эти вопросы ведь довольно легко, не правда ли? Каждый из нас имеет
ежедневно дело с электричеством в домашнем быту или на предприятии,
и даже двухлетний мальчик уже усердно поворачивает выключатель и обна-
руживает плутовскую ра-
дость, если после этого за-
сверкают лампочки в люстре.
Таким образом, обращение с
электричеством стало доступ-
ным даже для детей, и для
нас вряд ли составит труд-
ную задачу ответить на по-
ставленные выше вопросы.
Итак, электричество — это...
гм... м... но как нам это
лучше выразить? Электри-
чество — это электрический
ток. Но ведь это же одно и
Катод Анод
Рис. 152. Движение электронов в металле.
то же, только выраженное другими словами. Или скажем так: электриче-
ство — это одна из форм энергии. Это уже лучше, но все же мы и в этих
словах имеем лишь стремление обойти необходимость дать подлинное
определение данного понятия. Наши слова будут раздаваться все мед-
леннее, паузы между ними будут все длиннее и длиннее, и, наконец, мы
должны будем произнести смущенное признание в том, что ответ на этот
вопрос для нас вовсе не составляет простого дела.
Повсюду мы знакомимся с действием электричества, видим освещен-
ные им помещения, высушенные электрическими сушилками волосы, знаем,
что электричество приводит в движение трамваи, что оно передает на ты-
сячи километров наш голос, но само по себе электричество остается для нас
незаметным.
Что же нам делать? Может быть, нам следует сопоставить вместе все
то, что мы знаем об электричестве? Вот, например, мы знаем, что металлы
представляют собой особенно хорошие проводники электрического тока.
Это объясняется тем, что в металлах электроны — отрицательно заряжен-
ные составные части атомной оболочки — могут с большой легкостью
«скользить» вперед внутри структуры металлического предмета и не
22 3 Шпаусус
337
являются прочно прикрепленными к определенному атомному ядру, как это
приходится сказать относительно электронов неметаллов. Электроны ме-
таллов, кроме того, могут чрезвычайно легко двигаться, и мы даже имеем
возможность установить направление их движения. Стоит только позабо-
титься о том, чтобы на одном свободном конце провода был избыток отри-
цательных зарядов, а на другом конце вследствие недостатка электронов
было бы преобладание положительного заряда,— и тотчас же свободные
электроны металла направятся в ту сторону, на которой ощущается их не-
достаток, т. е. к аноду. Ведь нам известен старый закон учения об электри-
честве, согласно которому разноименные заряды притягивают-друг друга,
а одноименные, наоборот, отталкиваются один от другого. В тот момент,
когда электроны переходят от катода к аноду, мы и можем зарегистри-
ровать наличие электрического тока. Ввиду того что отрицательные заряды
сопряжены хотя и с весьма ничтожной массой, следует считать, что элек-
тричество, безусловно, имеет материальную природу. Его мельчайшими
единицами являются электроны, а движение этих электронов обусловли-
вает появление электрического тока.
Обычно еще два понятия являются весьма важными. Электрический
ток будет тем сильнее, чем большее число электронов будет протекать в
одну единицу времени, скажем, в одну секунду, через определенное се-
чение проводника.
Мы могли бы сравнить ток электричества с течением воды. Чем больше
кубических метров воды протечет мимо нас в одну секунду, тем мощнее
поток реки. В учении об электричестве мы обозначаем количество протек-
ших мимо нас в единицу времени электронов термином сила тока и изме-
ряем эту силу амперами.
Однако течение электричества определяется, кроме того, и еще одним
фактором. Незначительный горный ручей может стать более опасным, чем
широкая река, спокойно текущая по своему руслу. Речная вода течет
очень медленно. Между тем горному ручью присуща значительная раз-
ница уровней, характеризующих его истоки и устье. Поэтому-то вода и
низвергается с гораздо более значительной энергией в долину. Подобная
же «разница уровней» должна проявляться также и при электрическом
токе, когда он течет и преодолевает какие-нибудь препятствия, совершая
работу. Только в этом случае мы будем иметь дело не с пространственной
разницей уровней; спад скорее будет определяться избытком электронов
на отрицательном катоде и их недостатком на положительном аноде. Чем
в большей степени выражены этот избыток и недостаток, тем больше будет
разность потенциалов или разность напряжения, короче говоря, тем боль-
ше будет напряжение и тем больше «давление», под которым электроны
«вдавливаются» в проводник. Разность потенциалов измеряется в вольтах.
При умножении числа вольт на число ампер получают меру мощности
электрического тока, выражаемую в ваттах или в киловаттах — едини-
цах, в тысячу раз больших по сравнению с ваттами.
Остается еще сказать несколько слов относительно источников тока.
Батарея или динамо-машина представляют собой как бы «электронный на-
338
сос», который перекачивает электроны с катода в электрическую цепь, как
бы «высасывает» эти электроны из анода. Таким путем и создается упомя-
нутая выше разность потенциалов. Чем больше разность потенциалов меж-
ду катодом и анодом, тем большую работу может выполнить источник тока.
Разумеется, эта его способность не находится в зависимости от одного толь-
ко нашего желания, как и водяной насос не будет работать сам собой. Мы
должны доставить к нему другую энергию, которую он затем перерабо-
тает, не без того, однако, чтобы за это не потребовать определенного про-
цента. Получая ток при помощи динамо-машины, мы используем для этого
механическую энергию, что же касается процессов, протекающих в батарее,
то мы вернемся к ним еще несколько позднее.
Подведем итоги. Об электрическом токе можно говорить в тех слу-
чаях, когда электроны или, вернее, когда заряды передвигаются в резуль-
тате разности напряжений.
Однако это не всегда возможно. Существуют атомы, которые так же
прочно удерживают свои электроны, как скупой удерживает свое золото.
Эти атомы не отпускают электроны из своей оболочки. Однако ввиду того
что такие атомы содержат достаточное число электронов для того, чтобы
оставаться электрически нейтральными, и благодаря тому, что они вслед-
ствие этого находятся в устойчивом состоянии, для них и не существует
никакой необходимости отдавать кому-либо свои электроны. Электронам
не приходится переходить куда-нибудь, и никакой ток не может в этом слу-
чае передвигаться по проводу. Лишь в том случае, когда напряжение бу-
дет иметь весьма высокую величину, может случиться, что электроны под
большим давлением будут насильственно прорывать для себя путь следо-
вания. Так ведут себя вещества, которые мы обозначаем словом «непровод-
ники», например воздух, дерево, каучук или совершенно чистая вода.
О металлах уже было упомянуто. В них содержатся многие свободные
электроны в виде так называемого «электронного газа», который под влия-
нием разности потенциалов тотчас же приходит в движение. Назовем ме-
таллы проводниками первого рода. Но раз существуют проводники первого
рода, то, вероятно, должны существовать также и проводники второго рода.
Этими последними являются растворы кислот, оснований и солей или на-
званные вещества в расплавленном состоянии. Проводниками второго рода
их называют потому, что они действительно пропускают через себя элек-
трический ток, но в противоположность металлам при этом испытывают
разложение.
Механизм протекающей в этом случае электропроводимости понять
нетрудно. Эти проводники второго рода (в дальнейшем мы их просто будем
называть электролитами) распадаются в водном растворе на электрически
заряженные осколки частиц, называемые ионами. Ионы могут быть заря-
жены положительно или отрицательно, причем, однако, общее число заря-
дов положительных ионов должно быть равно общему числу зарядов отри-
цательных ионов, так как раствор в целом остается электрически нейтраль-
ным. Об этом было уже сказано ранее, причем была приведена и причина
образования ионов, заключающаяся в свойстве атомов к образованию
22*
339
путем присоединения или отдачи электронов достроенной до конца внешней
оболочки, соответствующей электронной оболочке инертного газа.
В такой раствор электролита введем затем два электрода, соединен-
ные с полюсами источника постоянного тока. При этом отрицательный
электрод мы будем называть катодом, а положительный — анодом. Между
обоими электродами образуется в результате разности потенциалов элек-
тромагнитное поле, в котором ионы придут в движение, причем положи-
тельно заряженные ионы — катионы будут двигаться по направлению к
катоду, а отрицательно заряженные анионы — к аноду: ведь мы уже зна-
ем, что противоположно заряженные заряды притягиваются друг к другу.
Что же случится у обоих электро-
дов с подоспевшими к ним ионами?
Начнем наше рассмотрение с катода,
который заряжен отрицательно и на
котором, следовательно, присутствуют
электроны в избытке. К катоду будут
притягиваться катионы, отличающиеся
недостатком электронов. Они получат
от катода такое число электронов, какое
им необходимо для насыщения избыточ-
ных положительных ядерных зарядов.
Анод
Катод
Рис. 153. Электролиз хлористого никеля.
Двухвалентный положительно заряжен-
ный ион никеля Ni++ получит два
электрона соответственно схеме Ni++ + 2е Ni, в которой знаком @ мы
обозначаем отдельные электроны. Это приобретение электронов катионом
будет иметь весьма глубокие последствия, ибо из иона никеля в тот же
момент образуется нейтральный атом никеля, отличающийся совершенно
другими свойствами сравнительно с теми свойствами, которые характе-
ризуют ион никеля. Явление происходит таким образом, как будто мы
имеем дело с магазином, дающим напрокат маскарадные костюмы. Одетые
в обыкновенное платье люди (ионы) приобретают свои маскарадные костю-
мы (электроны), и в тот же момент они превращаются в людей, одетых
в домино, в ковбоев или в пьеро (в атомы).
Совершенно противоположное действие протекает на аноде, где, соот-
ветственно выбранной нами аналогии, происходит демаскировка ряженых.
Здесь ощущается непрерывно недостаток электронов. Если сюда подходят
отрицательно заряженные анионы, то они, наоборот, отдают здесь свои из-
быточные электроны аноду и при этом сами превращаются в нейтральные
атомы. Возьмем для примера анион хлора, для которого мы сможем напи-
сать:
С1- —0—С1
Остается разъяснить еще один вопрос. Откуда же поступают элек-
троны, которые так щедро раздаются катодом, и где остаются те электро-
ны, которые были поглощены анодом? Напрашивается само собой предпо-
ложение, что при этом какую-то роль играет источник тока. Так это и
340
есть на самом деле, но при этом не сам источник производит эти электро-
ны или, наоборот, их поглощает, но этот источник тока как бы высасывает
их из анода и сдает после того эти электроны катоду. Таким образом, ис-
точник тока обеспечивает непрерывный круговорот электронов вне элек-
тролита.
В перемещающихся электронах мы установили для металлов приро-
ду электропроводности. А как обстоит дело в электролитах? Конечно, и
здесь электроны передвигаются вместе с анионами, но то же самое проис-
ходит и с положительно заряженными катионами. Может показаться, что
Рис. 154. Электролиз хлористой меди.
здесь как будто по существу происходит что-то совершенно отличное. Од-
нако это не так. От катода электроны как бы нагнетаются в электролит,
между тем как другие электроны в равном количестве удаляются из элек-
тролита через анод. Правда, в этом случае движение тока будет обеспечи-
ваться не свободными электронами, как в металлах, но в анионах электро-
ны будут как бы сопряжены с веществом, переносящим их, которое будет
доносить их до анода и здесь сдавать. Для выравнивания этого непрерыв-
ного расхода электронов необходимо, чтобы расход компенсировался та-
ким же числом положительных зарядов. Как мы видели, это и осуществ-
ляется на катоде, где эту задачу выполняют подходящие по проводу элек-
троны. Все время электронейтральность раствора — и это является наи-
более существенным — сохраняется: в каждый момент положительные
и отрицательные заряды присутствуют в равном числе.
Итак, электролит никоим образом не прерывает круговорота электро-
нов и вместе с тем электрического тока в проводе, но обеспечивает его,
правда, не прямым, а косвенным образом.
Рассмотрим некоторые случаи электролиза в отдельности. В качестве
электролита выберем водный раствор хлорной меди, в качестве электродов
нам послужат две платиновые полоски, погруженные в раствор и присо-
единенные при помощи провода к источнику постоянного тока. Включим
при помощи выключателя ток. Через некоторое время мы заметим то, чего
341
мы собственно и должны были ожидать с самого начала. На отрицательном
платиновом катоде образуется розоватый блестящий налет, весьма вероятно,
состоящий из электрической металлической меди, а на аноде лишь через
довольно продолжительное время начнет выделяться газ, который, судя
по его запаху, должен быть признан хлором.
Что же собственно случилось? В растворе электролита хлорная медь
была полностью диссоциирована и присутствовала в виде катионов меди
и анионов хлора. Под действием электромагнитного поля оба иона начали
передвигаться в противоположных направлениях. Положительно заряжен-
ные ионы меди начали двигаться по направлению к отрицательно заряжен-
ному катоду, а отрицательные ионы хлора — к положительно заряжен-
ному аноду. Подойдя к катоду, ионы меди приобрели по два электрона
и выделились в виде нейтральных металлических атомов меди на пла-
тиновой полоске, сообщая этой полоске розоватый оттенок. Соответствую-
щие явления будут наблюдаться и на аноде, но только здесь каждый ион
хлора отдает свой электрон и на мгновение будет превращаться в свобод-
ный атом хлора; но затем два таких атома, соединившись друг с другом, об-
разуют молекулу хлора, которая поднимется на поверхность раствора,
правда, лишь после того, как раствор насытится растворяющимся в нем
газообразным хлором. Этим и объясняется несколько запоздалое выделе-
ние хлора на поверхность раствора.
Несколько более запутанными окажутся обстоятельства, если мы под-
вергнем электролизу какую-нибудь кислоту, вроде серной кислоты. При-
меняя электроды из платины или угля, мы заметим в этом случае, что на
катоде выделяется и под-
нимается на поверхность
жидкости газ, который
оказывается состоящим
из водорода, а на аноде
в свою очередь также
выделяется газ, а имен-
но кислород. Замеча-
тельным будет еще и то,
что соотношение коли-
честв обоих газов будет
равно 2:1.
Все это очень свое-
образно! Появления на
поверхности жидкости
газообразного водорода
мы могли ожидать, ибо
ведь в растворе присут-
ствовали ионы водоро-
да кислоты. Но как объяснить появление кислорода?
Подойдем систематически к решению этой задачи. Электролитом была
разбавленная серная кислота, которая в значительной степени диссоции-
342
рует с образованием ионов водорода и сульфатных ионов. Положительно
заряженные водородные ионы движутся к катоду, где они получают элек-
троны и выделяются в виде газообразного водорода, который и появляется
в виде маленьких пузырьков. Отрицательно заряженные сульфатные ионы
образуют анионы и передвигаются поэтому к аноду. Здесь они сдают свои
избыточные электроны и выделяются в качестве незаряженных сульфатных
групп. Однако это невозможно, ибо мы уже ранее узнали, что такие ради-
калы, как остаток серной кислоты SO4, являются устойчивыми лишь в виде
заряженных ионов, но отнюдь не в виде нейтральных атомных групп.
Может быть, после отдачи электронов кислотный остаток SO4 должен рас-
пасться на свои составные части — серу и кислород? Таким путем можно
было бы объяснить и появление в свободном виде кислорода, но только в
том случае, если бы мы одновременно могли бы обнаружить и присутствие
элементарной серы. Но она не обнаруживается при этом процессе. Следо-
вательно, мы должны искать какого-либо иного объяснения. Не предпо-
ложить ли нам, что группа SO4 разрывает одну молекулу воды, отнимает
от ее кислородного иона два электрона, а сама присоединяется, нагрузив
себя двумя полученными электрическими зарядами к обоим водородным
ионам с образованием серной кислоты? Потерявший свой заряд атом кисло-
рода образует вместе с другим подобным же ему атомом гомеополярное со-
единение и выделяется в виде свободного газа:
Первичная реакция: 2Н++20^*Н2 (катод)
SO7 - — 2© —* SO4 (анод)
Вторичная реакция: SO4-}-H2O —> 2H++S0~~©1/202 (анод)
Мы видим, что эта возможность объясняет многое, в том числе и
двойной объем выделяющегося водорода, ибо в результате присоедине-
ния двух электронов на катоде происходит выделение двух атомов во-
дорода, между тем как в результате отдачи двух электронов на аноде
образуется в виде свободного элемента только один атом кислорода. Но
дальше получается уже совсем неожиданный результат. На каждую выде-
лившуюся группу SO4 на аноде происходит разложение одной молекулы
воды, причем одновременно образуется одна молекула серной кислоты.
Таким образом, при описываемом электролизе число молекул серной
кислоты должно оставаться неизменным, причем в конечном итоге вода
непрерывно подвергается разложению, и с течением времени ее коли-
чество уменьшается1.
Теперь мы имеем правильное объяснение для электролитического
разложения воды, о котором мы уже упоминали в одной из предыдущих
глав. Если бы мы тогда добавляли к воде соляной кислоты, чтобы сде-
лать ее электропроводной, то наш опыт потерпел бы достойную сожале-
ния неудачу. Лишь применив для этой цели серную кислоту, при кото-
1 Автор дает объяснение явлений электролиза, значительно отличающееся от ныне
принятого. С современной научной трактовкой этих явлений читатель может познако-
миться по журналу «Химия в школе» (№ 5 за 1958 г., стр. 25—40) или по учебникам
для вузов Б. В. Некрасова, Н. Л. Глинки и др. (Ред.)
343
рой ее незаряженные сульфатные ионы по протекающей мгновенно реак-
ции взаимодействуют с водой, это удается сделать. Однако вопрос о том,
имеем ли мы в этом случае дело действительно с реакцией электролити-
ческого разложения воды или нет, — этот вопрос мы не будем подвергать
дискуссии. Несомненным для всех случаев является тот факт, что при этом
вода разлагается и что электрический ток играет при этом решающую роль.
Рис. 156 Электролиз серной кислоты с применением
медных электродов.
Эле ктр ол и з серной
кислоты следует, таким об-
разом, разделить на две
реакции. При первичном
процессе водородные ионы
и ионы SO4— обменивают-
ся своими зарядами с
электродами. Для водоро-
да дело этим и исчерпы-
вается, но этого нельзя
сказать относительно став-
ших нейтральными суль-
фатных SO4-rpynn, кото-
рые не способны к сущест-
вованию в нейтральном со-
стоянии и отнимают необ-
ходимые для них электро-
ны в результате вторичной
реакции от молекулы воды,
претерпевающей при этом
разложение.
Несколько иначе элек-
тролиз протекает в тех случаях, когда для его проведения применяют
менее устойчивые электроды. Возьмем, например, медные электроды.
У катода не проявляется ничего отличного сравнительно с приведенным
нами выше примером. Равным образом первичный процесс на аноде остает-
ся тем же самым. Однако в тот момент, когда сульфатная группа отдаст
оба своих электрона, для нее снова представится альтернатива — либо
быстро раздобыть для себя другие электроны, либо распасться. Она
выбирает для себя первый путь, вырывая у атома меди, из которой
состоит электрод, два электрона, благодаря чему этот атом электрода
превращается в ион меди и переходит в раствор. Таким образом, на
протяжении электролиза медный анод все в большей и большей мере
расходуется, и одновременно наряду с серной кислотой образуются
все большие и большие количества сульфата меди в виде ионов SO4 и
ионов Сц++. Разумеется, и эти вновь образованные ионы подвергаются
электролизу, т. е. ионы меди начинают двигаться к катоду и здесь снова
получают утраченные ими электроны. Наряду с электролизом серной
кислоты наступает также и электролиз сульфата меди, причем медь анода
оказывается использованной и перешедшей в раствор, после чего она
344
снова отлагается на катоде. Эта реакция приходит к концу тогда, когда
материал анода будет весь израсходован. Этот процесс может быть вы-
ражен следующими уравнениями:
Первичная реакция: 2Н+-|-2@^Н2 (катод)
SO4 — 2© —* SO4 (анод)
Вторичная реакция: SO4+Cu (электрод)— Си++ +SO? “ (анод)
Ввиду того что натрий проявляет к
Рассмотрим теперь электролиз основания, например едкого натра.
Из ионов в этом случае присутствуют ионы Na+ и ОН"~. Ионы натрия
движутся к катоду и получают электроны, превращаясь при этом в атомы
металла. На аноде гидроксильные ионы отдают свои электроны и сразу
становятся нейтральными
группами ОН. Этот про-
цесс представляет собой
первичную реакцию. Одна-
ко ни элементарный нат-
рий, ни нейтральная гид-
роксильная группа не спо-
собны в этих условиях к
существованию, но вступа-
ют во вторичную реакцию.
Натрий, являющийся весь-
ма неблагородным метал-
лом, энергично взаимодей-
ствует с кислородом с об-
разованием окиси натрия,
которая в свою очередь ре-
агирует с одной молеку-
лой воды, образуя гидро-
окись натрия. Но откуда
натрий может добыть для
себя кислород, если не из
кислороду более сильное средство, чем водород, последний сразу же увидит
себя лишенным того кислорода, который вместе с ним содержится в моле-
куле воды, и при этом водород получит от атомов натрия один электрон.
Таким образом, из иона образуется атом водорода, который, соединив-
шись с таким же, как он, «товарищем по несчастью» — с другим атомом
водорода, — гомеополярной связью образует молекулу водорода, после
чего эта молекула и улетучивается.
А на аноде? Здесь образовался незаряженный радикал ОН, который,
однако, ведет себя иначе, чем радикал SO4. Так как взаимодействие с мо-
лекулой воды не может внести никакого изменения, то две освободившиеся
воды?
345
группы ОН соединяются друг с другом с образованием молекулы воды, и
при этом отщепляется один атом кислорода:
Первичная реакция: 2Na+-}-2©—* 2Na (катод)
2ОН- —20^20Н (анод)
Вторичная реакция: 2Na4-H2O ~*Na2O + H2O 1
Na2O4-H2O — 2Na++2OH- J 1
2OH-*H2O+V2O2 (анод)
Таким образом, электролиз и здесь сводится к разложению воды, при-
чем в качестве конечных продуктов выделяются в свободном виде газооб-
разные водород и кислород в объемных соотношениях 2:1.
И в этом случае выбор электродов оказывает влияние на исход вторич-
ных реакций. Однако мы ограничимся рассмотрением этих примеров, ибо
и другие вторичные реакции могут быть выведены подобным же образом.
Схема в конце концов во всех случаях остается одной и той же. В первич-
ной реакции ионы электролитов движутся к противоположно заряженным
электродам, там они сдают или получают электроны и в зависимости от
обстоятельств вступают уже во второй стадии во взаимодействие либо друг
с другом, либо с электродом, либо с водой.
Сведение всех электролитических процессов к этим основным зако-
нам ни в каком отношении не изменит того факта, что электролиз встре-
чается повсеместно в хозяйстве и технике и что он играет чрезвычайно
важную роль. Уже в следующем разделе мы познакомимся с некоторыми
практическими применениями электролиза.
ПРАКТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ
Представим себе, что руль моего велосипеда, который раньше был со-
вершенно гладким и блестящим, оказался весь поцарапанным и потускнев-
шим. Руль благодаря этому не только утратил свой красивый вид, но при
этом неблагородное и легко ржавеющее железо этого руля оказалось не-
защищенным против действия воздуха и воды и скоро покрылось слоем
ржавчины. Я снял руль и принес его в гальваническую мастерскую. Че-
рез несколько дней я получил обратно свой старый руль, который сиял но-
вым блеском. Сталь этой велосипедной детали была покрыта тонким слоем
хрома, который обнаруживает гораздо большую устойчивость по отноше-
нию к действию воздуха и воды и поэтому сохраняет без изменения свой
блеск в течение долгого времени. Руль, таким образом, был подвергнут
хромированию.
В этом деле для нас нет ничего нового. Меньше нам известно о том,
как осуществляется такое хромирование и на чем оно основано. Конечно,
заголовок этого раздела обещает нам открыть кое-какие данные по это-
му поводу, ибо если при этом может идти речь об электролизе, то нам не
346
придется предполагать, что слой хрома наносится на сталь при помощи
кисточки. Да и самое оборудование такой гальванической мастерской под-
твердит наше предположение о том, что здесь будут использованы электро-
литические процессы. Об этом свидетельствуют электрические измеритель-
ные приборы, установленные на распределительных щитах, и большие
ванны, изготовленные из глины или керамического материала. Таким об-
разом, мы имеем дело с электролизом. Мы уже в столь значительной сте-
пени знакомы с этим процессом, что можем себе представить, как осуще-
ствляется хромирование, серебрение, золочение, омеднение, никелиро-
вание и т. д. Соответствующий металлический предмет подвешивают в ка-
честве катода в ванну, состоящую из раствора соли того металла, который
должен быть осажден на этом предмете. Если его необходимо никелировать,
то придется выбрать раствор соли никеля, для омеднения нужно приме-
нять ванну с раствором медной соли и т. д. В качестве анода в эту ванну
подвешивают пластинку того металла, который в виде тонкого слоя должен
быть осажден на поверхность предмета. В нашем примере мы должны, сле-
довательно, подвесить в ванну никель или медь.
При замыкании постоянного тока произойдет то, с чем мы уже позна-
комились в предыдущем разделе. Положительно заряженные ионы ме-
талла растворенной соли будут двигаться к катоду, от которого они по-
лучат электроны, благодаря чему из ионного состояния перейдут в со-
стояние незаряженных атомов и в виде металла отложатся на предмете,
служащем катодом. Анионы передвинутся к аноду, сдадут ему свои элек-
троны и в незаряженном состоянии прореагируют с материалом анода, пе-
реводя его в раствор в ионном состоянии. Благодаря этому материал анода
также примет участие в электролизе и сможет компенсировать убыль
передвигающихся к катоду катионов.
Хотя эти процессы и представляются нам по существу весьма просты-
ми, они тем не менее проявляются в самых разнообразных практических
применениях, проведение которых требует больших знаний, опыта и
тщательности. Нельзя ожидать, что просто подвесив предмет в ванну и
пропустив через эту ванну ток, мы извлечем после этого через некоторое
время предмет из ванны посеребренным или никелированным. Очень мно-
гие факторы должны быть тщательно обдуманы, и очень многие рецепты
точнейшим образом соблюдены, ибо иначе покрытия на предмете вообще
не образуется, или же через некоторое время оно отстанет от предмета лис-
точками. Выбор соли, концентрация раствора и поддержание определенной
степени кислотности, равно как и сила пропускаемого тока — все эти ус-
ловия являются решающими для образования устойчивого и красивого
покрытия. Да и самый покрываемый металлом предмет нуждается в тща-
тельной предварительной обработке, которая в первую очередь заключа-
ется в основательной его очистке с тем, чтобы были удалены мельчайшие
следы жира, так как в противном случае на покрытых жиром местах будет
образовываться лишь плохо пристающий металлический слой.
Проще говоря, гальваностегия, как называют эту отрасль приклад-
ного электролиза, также имеет свои секреты.
347
Отраслью производства, весьма похожей на гальваностегию по свое-
му обозначению, применению и по своей теории, является гальванопла-
стика. В ее задачу входит получение при помощи электролитических про-
цессов пластических отпечатков. Предположим, что в нашем распоряжении
имеется редкая монета, и нам необходимо получить точный ее отпечаток.
Наполовину мы осуществим нашу задачу, вдавив нашу монету в воск и
снова удалив ее из воска. В воске мы обнаружим негативное изображение
монеты, т. е. все выдающиеся над плоскостью места монеты проявятся в от-
тиске в виде углублений, и наоборот. Нашей целью является, однако, по-
лучение позитивного отпечатка, который к тому же должен быть изготов-
лен из более прочного материала, чем воск, и не должен терять своей формы
при нагревании.
Рис. 158. Гальванопластика; получение оттиска монеты.
Снова электролиз окажет нам помощь в осуществлении и этой задачи.
Сначала поверхность восковой матрицы мы сделаем проводящей электри-
ческий ток, покрыв ее тонким порошком графитовой пыли. Затем мы
подвесим эту матрицу в качестве катода в раствор сульфата меди, причем
анодом нам будет служить кусок меди. Включаем ток, и снова разыгрыва-
ется уже известный нам процесс, при котором на поверхности катода отла-
гается слой меди, воспроизводящий форму матрицы. Одинаковое количе-
ство меди переходит в то же самое время с анода в раствор. Через несколько
часов или дней слой меди на нашей восковой матрице становится столь тол-
стым, что мы можем прервать электролиз и удалить воск, расплавив его
путем нагревания. Мы увидим негативный отпечаток матрицы, т. е. пози-
тивный отпечаток монеты, который нам и был нужен.
Такие гальванические оттиски можно получить для любых предметов
и даже для таких, которые сами по себе вовсе не отличаются электропровод-
ностью. При помощи порошка графита их легко можно сделать электро-
проводными. Произведения искусства, как например барельефы, медали
и т. п., могут быть легко воспроизведены со всей точностью, и при этом
оригинал не претерпевает никакого ущерба. В технике гальваностегия
348
в первую очередь применяется для изготовления типографских клише, а
также для изготовления граммофонных пластинок.
При записывании звуков на пластинку звуковые импульсы превра-
щаются в соответствующие электрические толчки, которые заставляют
иглу с большей или меньшей силой и продолжительностью отклоняться
от своего пути по пластинке. При этом острие иглы скользит по вращаю-
щейся восковой пластинке и выцарапывает на ней в ритме ее колебаний
тонкие колеи. Разумеется, с самой этой восковой матрицы невозможно вос-
произвести по ее записи концерт, ибо она является слишком мягкой и
уже при первом же воспроизведении музыки оказалась бы поврежденной.
Но в нашем распоряжении имеется возможность сделать эти колеи при по-
мощи электролиза гораздо более устойчивыми. Будем поступать так же,
как мы поступили при воспроизведении монеты. Восковую пластинку по-
сыплем порошком графита и подвесим ее в качестве катода в ванну с раство-
ром сульфата меди. В качестве анода применим опять-таки кусок меди.
Включив постоянный ток, мы заметим, что через некоторое время обра-
зуется достаточно толстый слой меди, после чего мы сможем удалить воск.
И в этом случае мы еще не достигли нашей цели, ибо, во-первых, пластин-
ки были бы слишком дорогими, если бы нам пришлось каждую из них из-
готовлять описанным способом из меди, а во-вторых, ведь такая медная
пластинка представляет собой негатив позитивной восковой матрицы. Во
всех тех местах, где в воске были образованы углубления, медь отложилась
в виде возвышений и, наоборот, возвышенные места оказались воспроиз-
веденными в виде углублений. Но так дело не пойдет, ибо если бы мы за-
хотели послушать звучание такой пластинки, то услышали бы в некотором
роде «негативную музыку», которую наш слух воспринял бы как крайне
неприятный шум. Однако если мы воспользуемся полученной медной пла-
стинкой как бы в качестве штемпеля и станем отпечатывать с ее помощью
оттиски, вдавливая ее в окончательную массу, из которой должны быть
изготовлены граммофонные пластинки, то мы получим общеизвестные грам-
мофонные пластинки, которые в результате такого двукратного обращения
снова будут представлять собой позитивные пластинки.
Этими сведениями мы и ограничимся по вопросу о гальванопластике.
Однако этим мы далеко не исчерпали всех возможностей применения элек-
тролиза. Рассмотрим еще один пример — очистку (рафинирование) сырой
меди. Медь, как и железо, добывается путем выплавки ее из руд. При этом
получается так называемая «черная медь» с содержанием меди от96до98%.
Остальное состоит из загрязняющих примесей, которые попали в металл
уже при выплавке из руды и которые химическим путем не удастся выде-
лить из металла. Относительно железа мы говорили, что в совершенно чи-
стом состоянии оно почти не имеет применения и что некоторое количество
«загрязнений», как например примеси углерода, марганца, кремния и
других материалов, только и делают железо ценным и пригодным для при-
менения. Совершенно иначе обстоит дело для меди. Здесь необходимо
добиваться получения как можно более чистой меди, в особенности для
электротехнических целей. Незначительные количества загрязняющих
349
Рис. 159. Установка для никелирования.
примесей заметно понижают электропроводность медных проводов, а это,
разумеется, имеет своим результатом непроизводительную потерю энергии.
Снова обратимся к электролизу. В больших ваннах, о которых мы
сможем получить представление из рисунка 160, подвешивают в качестве
анода целый ряд пластин черной меди между тонкими пластинками из чи-
стых медных пластинок, которые присоединяют в качестве катодов. Элек-
тролитом является раствор сульфата меди в серной кислоте. На протяже-
нии электролиза ионы меди направляются к катоду и, приняв электроны,
осаждаются на нем в виде металлических атомов. В равной мере на аноде
медная пластина переходит в раствор. На протяжении одного дня процесс
350
заканчивается. Анодные пластины оказываются израсходованными, между
тем как первоначально тонкие пластинки чистой меди на катоде превраща-
ются в толстые медные пластины. Электролитическая медь обнаруживает
содержание чистой меди, равное 99,97%.
Загрязняющие примеси в сырой меди не принимают участия в
процессе электролиза; они выделяются при растворении анода в свобод-
ном виде и образуют анодный шлам, или анодный ил. Содержание ред-
ких элементов делает шлам весьма ценным, и в дальнейших стадиях
производства из него выделяют электролизом серебро, золото, платину
и палладий. Вместе с тем из электролита выделяют обратно перешедший
в раствор никель.
Водород является газом, имеющим весьма важное значение в технике.
Мы познакомились с ним при синтезе аммиака и узнали, каким образом он
может быть получен в больших масштабах из воды путем восстановления
ее действием углерода. Таков наиболее дешевый метод получения водорода
для тех стран, в которых имеются сравнительно значительные количества
угля, в особенности в тех случаях, когда к чистоте водорода не должны
быть предъявлены крайние требования. Однако в тех странах, где запасы
угля являются весьма скромными и где зато имеется дешевая гидроэлектри-
ческая энергия, как например в скандинавских странах, можно добывать
водород также и путем электролиза воды. Для этой цели, правда, прихо-
дится пользоваться не чистой водой, ибо последняя не является проводни-
ком электрического тока, а разбавленным раствором едкого кали. Электро-
лиз протекает соответственно описанной в предыдущем разделе реакции
разложения гидроокиси натрия. При вторичном процессе выделившиеся
было сначала продукты реакции взаимодействуют с водой и разлагают ее
на образующие ее элементы — водород и кислород. При этом существенное
значение представляет то условие, чтобы выделяющийся водород был улов-
лен отдельно от одновременно выделяющегося кислорода, ибо в противном
случае может образоваться высоковзрывчатый гремучий газ, который мог
бы привести любой синтез к печальному результату. Попутно электролиз
воды сопровождается получением еще одного важного продукта, а именно
тяжелой воды. Это соединение аналогично соединению водорода с кисло-
родом, однако оно содержит водородные атомы с двойным по величине
атомным весом; оно подвергается электролизу труднее, чем обыкновен-
ная вода, и поэтому накапливается при электролизе воды в ванне и может
быть выделено из остатка после электролиза значительных количеств
обыкновенной воды.
При желании получить чистый электролитический водород часто даже
не приходится производить электролиз воды. При электролизе растворов
хлористых солей щелочных металлов, в результате которого образуют-
ся важные вещества— едкий натр и едкое кали, водород, а также и хлор,
получаются в качестве дешевого побочного продукта. При этом процессе
в качестве электролита пользуются раствором хлористого калия или хло-
ристого натрия в зависимости от того, имеется ли в виду получить гидро-
окись калия или гидроокись натрия. У анода протекает в обоих случаях
351
лишь первичная реакция, имеющая своим результатом образование эле-
ментарного газообразного хлора.
Иначе обстоит дело у катода, куда передвигаются катионы щелочного
металла, которые первоначально выделяются в виде нейтрального щелоч-
ного металла. Здесь металл затем очень скоро взаимодействует с водой
с образованием натриевой или калиевой щелочи и свободного водорода.
Рис. 160. Цех получения электролитической меди.
Теоретически эта реакция электролиза имеет весьма простой характер.
Но технически для ее осуществления необходимо преодолеть некоторые
трудности. Во всяком случае необходимо предотвратить взаимодействие
растворенного в воде газообразного хлора с образовавшейся у катода и
также переходящей в раствор щелочью. При этом взаимодействии должны
бы образоваться с израсходованием щелочи исходная соль и соль хлорно-
ватистой кислоты НСЮ:
2NaOH + Cl2—NaCl + NaClO + Н2О
или при выражении в ионной форме:
2Na++2OH“+Cl2“>2Na++Cl- + ClO-+H2O.
В настоящее время известны различные возможности изолировать хлор
в электролите от щелочи. Так, например, оба электрода можно разделить
352
друг от друга диафрагмой, которая будет пропускать через себя электри-
ческий ток, но не будет допускать взаимодействия ионов. При электролизе
с колоколом им покрывают катод и предотвращают таким образом воз-
можность смешения обоих продуктов электролиза.
До сих пор мы знакомились с примерами, при которых ионы находи-
лись в свободном состоянии в растворителе — воде. Благодаря возника-
вшим на электродах потенциалам, эти ионы притягивались к аноду или
катоду, у которых они превращались вследствие получения или отдачи
электронов в нейтральные атомы. Приходится признать, что этот метод
имеет большой недостаток. Правда, ионы находились в растворе на далеком
друг от Друга расстоянии и отличались значительной подвижностью; од-
нако сама вода в некоторых случаях должна была оказывать большую по-
меху электролизу. Выделившиеся атомы образуют при этом другие соеди-
нения, а не те, которых мы ожидали.
Вспомним хотя бы об электролизе водного раствора хлористого натрия
с образованием гидроокиси натрия и водорода. В описанном выше случае
такая реакция была желательной, ибо целью электролиза являлось полу-
чение натриевой щелочи. Однако мы могли бы поставить и другую задачу—
выделить электролитическим путем натрий в металлическом состоянии.
В этом случае вода должна была бы быть исключена из сферы реакции.
Но как это можно осуществить практически? Правда, и в твердой по-
варенной соли должны ввиду гетерополярной связи составляющих ее нат-
рия и хлора существовать ионы натрия и хлора, но они будут располо-
жены на столь близком расстоянии друг от друга, что окажутся слишком
прочно связанными действием интенсивных сил кристаллической решетки
и поэтому не смогут приходить в движение при действии электрического
тока. Придется дополнительно подвести к твердому телу энергию, которая
будет проявляться в виде все увеличивающейся подвижности ионов в кри-
сталлической решетке. В точке плавления энергия возрастет настолько, что
ионы оторвутся от твердого тела и станут до некоторой степени подвижны-
ми. Правда, и в жидком веществе эти ионы еще довольно тесно толпятся
друг около друга, однако они все же становятся значительно подвижнее
и способны в более значительной мере покоряться внешнему напряжению.
На катоде теперь будет выделяться натрий в металлическом состоянии, а в
этих условиях натрий уже не имеет более возможности вступать во взаимо-
действие с водой, потому что в смеси она отсутствует. На аноде в этом
случае, как и в предыдущем примере, будет выделяться хлор. Этот элект-
ролиз расплавленных солей стал известен уже давно. Английский естест-
воиспытатель Дэви сумел таким путем в 1804 году получить натрий.
Этот принцип сохранил свое значение и до настоящего времени. Гидро-
окись натрия или в последнее время также и более тугоплавкую, но зато
более дешевую поваренную соль подвергают плавлению. Образующийся
натрий очень легок и всплывает на поверхность сплава, после чего его вы-
черпывают ситами.
1 Натрий открыт Деви в 1807 г. (ред).
23 3. Шпаусус
353
Соответственным образом протекает также получение и других легких
металлов, как например калия, кальция или магния. Для получения маг-
ния применяют расплавленный хлористый магний с добавками, понижаю-
щими его точку плавления. Так как соли названных выше элементов мо-
гут иметься в любом желаемом количестве, то и сами содержащиеся в этих
солях металлы могут быть получены в любых количествах, причем во всех
издержках производства наибольшую часть составляет стоимость энергии.
Совершенно уже неизбежным метод электролиза расплавленных со-
лей является при производстве металлического алюминия. Мало того: этот
исключительно важный металл оказалось возможным производить в зна-
чительных количествах лишь после того, как появилась возможность по-
лучать электрическую энергию в достаточно большом количестве. Цена
алюминия тесно связана с ценой электрического тока, и каждый успех в
производстве тока отражается в положительном смысле и на производстве
алюминия. Некоторые затруднения связаны с подбором исходных материа-
лов. В то время, как для упомянутых выше металлов в природе встреча-
ются в больших количествах легкоплавкие чистые соли — вспомните
хотя бы только о громадных отложениях хлористого натрия и хлористого
магния,— наоборот, для алюминия дело обстоит совсем иначе. Правда,
в природе имеются многие естественные соединения алюминия, так, напри-
мер, даже обыкновенная глина частично состоит из таких соединений, но
чистые соединения алюминия, состоящие из окиси алюминия А12О3, редко
встречаются в изобилии и имеют к тому же весьма высокую температуру
плавления. Следствием всего этого является то обстоятельство, что центр
тяжести производства алюминия заключается не столько в процессе элек-
тролиза, сколько в получении чистых соединений алюминия.
Весьма богатым по содержанию алюминия исходным материалом яв-
ляется боксит, состоящий почти на 60% из глинозема А12О3, причем ос-
тальные 40% приходятся на воду, окислы железа и двуокись кремния.
К сожалению, боксит встречается не повсеместно; в Германии, например,
он почти совсем отсутствует и встречается лишь в виде немногих малозна-
чительных месторождений. Поэтому немецкая промышленность алюминия
прибегает либо к импорту, либо к использованию бедных по содержанию
алюминия глин, в которых, правда, у нас нет недостатка, но которые по-
зволяют получать алюминий лишь по весьма дорогой цене.
Таким образом, нам приходится считаться с необходимостью приме-
нения метода переведения сырья в жидкое состояние путем его плавления.
И чем более проблематичным и более трудным является осуществление этого
расплава, тем большее число методов предлагается для этой цели. Так об-
стоит дело и при переведении в жидкое состояние глинозема и соответствен-
но боксита. При этом все эти методы связаны со значительными затратами
денег и материала.
В большинстве случаев применяется так называемое влажное переве-
дение исходного материала в раствор по методу Байера. Проследим
с помощью рисунка 161 схему этого производства. Возможно более чистый
боксит сначала грубо перемалывается и освобождается во вращающихся
354
\Боксит
з
алюмината
Рис. 161. Схема получения окиси алюминия по Байеру.
трубчатых печах от воды. Шаровые мельницы измельчают его до состояния
тонкого порошка, который подвергается дальнейшей переработке. Прежде
всего его обрабатывают в смесителе едким натром. Еще ранее было ука-
зано, что алюминий имеет амфотерный характер, что его гидроокись может
реагировать и как основание, и как кислота. Если мы заставим окись
23*
355
алюминия взаимодействовать с кислотой, то она проявит свойства безвод-
ного основания и образует с этой кислотой соль; если же мы к А12О3 при-
бавим основание, то она проявит свойства кислотного ангидрида и также
образует с этим основанием соль. Это случится и при действии натриевой
щелочи, однако для осуществления этой реакции химик должен проявить
некоторое усилие. Под давлением, достигающим 6—8 атм, образуется
так называемый алюминат натрия (это соединение можно рассматривать
как натриевую соль алюминиевой кислоты), растворимый в воде.
Мы можем написать упрощенное уравнение:
Al2O34-2NaOH 2NaA102 + H20.
В боксите содержится еще и кремниевая кислота, которая взаимодей-
ствует с натриевой щелочью, а также с другими порциями окиси алюми-
ния с образованием нерастворимого силиката натрия-алюминия:
SO24-2NaOH+А12О3 — Na2 (А 12SiO6) + Н2О.
Эта реакция не пользуется в технике особым распространением, ибо она
сопровождается потерями натриевой щелочи и окиси алюминия.
Железо также содержится в боксите. Оно превращается действием нат-
риевой щелочи в нерастворимую гидроокись железа, которая затем отделя-
ется от растворенного алюмината натрия в фильтрпрессах вместе с сили-
катом натрия-алюминия в виде «красного шлама». Таким путем полу-
чают прозрачный щелок алюмината, из которого может быть осаждена чи-
стая гидроокись алюминия. От нее отделяют остаток щелока, состоящего
из гидроокиси натрия. Эту остаточную щелочь концентрируют путем вы-
паривания и снова используют для переведения в раствор нового количе-
ства боксита. Гидроокись алюминия А1(ОН)3 после этого нагревают во
вращающихся трубчатых печах; при этом вода улетучивается. Конечный
продукт представляет собой после этого безводную гидроокись алюминия.
Весь метод Байера может быть выражен простым уравнением:
растворение
Al (OH)3+NaOH ---------±NaA10-4-2H20.
осаждение
Это уравнение, как и всякое уравнение, разумеется, не дает никакого
ответа на вопрос, как протекает осуществление описанного метода.
Выше уже было указано, что Германия не имеет залежей бокситов.
Поэтому были предприняты многие попытки добыть алюминий путем пе-
реведения в раствор бедных по содержанию алюминия сортов глин. По ме-
тоду Байера в этом отношении ничего не удавалось сделать, ибо возможно
перерабатывать только бедные по содержанию кремния, но богатые по со-
держанию алюминия исходные глинистые материалы, так как при осажде-
нии кремниевой кислоты значительная часть окиси алюминия ускользает.
Из методов, пригодных для переработки более бедных по содержанию алю-
миния глин, удается успешно осуществлять метод Гольдшмидта.
И при этом методе глинозем первоначально измельчают, затем пу-
тем нагревания его освобождают от присутствия воды, после чего пере-
356
малывают. Затем его растворяют, но не в щелочи, а в дешевой слабой
сернистой кислоте H2SO3. При этом образуется растворимое соединение
основного характера — сернистокислый алюминий, который путем фильт-
рования может быть отделен от загрязняющих примесей. Правда, часть
загрязняющих глинозем примесей будет также переведена в раствор
сернистой кислотой. При нагревании раствора до 90°С основной сульфит
алюминия снова выделится в осадок и может быть отделен от раствора,
содержащего примеси. При большем нагревании с одновременным пониже-
нием давления основной сульфит алюминия разлагается на окись алюми-
ния и сернистую кислоту, которая возвращается обратно и может быть ис-
пользована в процессе растворения:
2А1 (OH)SO3H -> A12O3+2SO2+3H2O.
Рис. 162. Схема устройства электролитической ванны
для получения алюминия.
Однако полученная таким путем гидроокись алюминия еще не явля-
ется достаточно чистой, чтобы ее можно было подвергнуть электролизу.
Ее поэтому приходится затем подвергать растворению по методу Байера
действием натриевой щелочи с образованием алюмината натрия и снова
профильтровывать. После этого прозрачный щелок перерабатывается
дальше. Каждый раз мы получаем таким путем сухую и чистую окись
алюминия, из которой путем электролиза в расплавленном состоянии мож-
но получить алюминий. Значительным препятствием, однако, является
высокая точка плавления чистой окиси алюминия, достигающая 2000°С.
Однако при добавлении другого искусственно полученного соединения
натрия с алюминием и фтором, а именно криолита Na3AlF6, точка плавле-
ния смеси понижается почти на 1000°С. То обстоятельство, что смеси об-
наруживают более низкую точку плавления по сравнению с точкой плавле-
ния чистых составных частей смесей, представляет собой общеизвестное
явление. В данном случае процесс проводят со смесью из 81,5% криолита
и 18,5%окиси алюминия. На первый взгляд может показаться, что присут-
ствие окиси алюминия в этой смеси вовсе не имеет существенного значе-
357
ния и что присутствие криолита требуется для самого процесса электро-
лиза в гораздо большем количестве. Однако в действительности дело обстоит
иначе: при электролизе только окись алюминия подвергается разло-
жению, так что именно ее необходимо непрерывно добавлять в жидкий
плав.
Процесс электролиза проводят в больших ваннах, построенных из
каменной кладки и выстланных углем. При этом угольная выстилка присо-
Рис. 163. Цех с электролитическими ваннами для получения алюминия.
единена к отрицательному полюсу источника тока и образует, таким обра-
зом, большой катод. В качестве анода служат толстые пластины, изготов-
ленные из электродного угля, которые погружены в расплавленную смесь
и присоединены при помощи толстого провода к положительному полюсу.
Сначала в электрическую плавильную печь вносят криолит и подвер-
гают материал плавлению в пламени электрической дуги, образующейся
при пропускании сильного тока между катодом и анодом. Затем постепен-
но в смесь вносят глинозем до тех пор, пока не будет достигнута обозна-
ченная выше наиболее благоприятная концентрация обеих составных ча-
стей смеси. После этого угольные электроды погружают в расплавленную
смесь на более значительную глубину. Дуга при этом гаснет, и начинает
осуществляться электролиз. Положительно заряженные ионы алюминия
направляются к катоду и отлагаются после присоединения ими электро-
нов в виде металла, накопляющегося на дне ванны и время от времени вы-
358
пускаемого из нее. Наоборот, ионы кислорода притягиваются анодом и
выделяются на нем в виде свободного кислорода. Последний под влиянием
высокой температуры взаимодействует с углем анода, постепенно сжигая
его с образованием двуокиси углерода. По мере того как угольный анод
подвергается окислению, его необходимо глубже погружать в ванну, а
после определенного времени заменять новым электродом.
Легко понять, что для производства алюминия необходимо затрачи-
вать значительные количества электрического тока, ибо в данном случае
не только осуществляется процесс собственно электролиза, но затрачивает-
ся ток и на непрерывное удержание смеси в жидком состоянии. Практи-
чески приходится обыкновенно иметь дело с током силой приблизительно
от 10 000 до 20 000 ампер. Для получения 1 кг алюминия приходится круг-
лым числом затрачивать 22 киловатт-часа.
Алюминий в настоящее время является самым важным металлом пос-
ле железа. Он необходим в домашнем быту, в народном хозяйстве и тех-
нике. Его прочностью, а вместе с тем и низким удельным весом, устойчи-
востью по отношению к внешним воздействиям и хорошей электропровод-
ностью объясняется его широкое применение. К тому же он способен
давать сплавы с другими металлами, которые в значительной степени изме-
няют его свойства. Эти сплавы оказываются пригодными для многих целей.
Таким образом, он завоевывает все более и более господствующее поло-
жение в технике, а во многих ее отраслях он стал прямо-таки незамени-
мым. Если в некоторых случаях уменьшение веса какой-нибудь установки
и детали машины при сохранении ее прочности, близкой к прочности ста-
ли, является условием более чем желательным, то развитие конструкции
автомобилей и самолетов без алюминия явилось бы уже совершенно немыс-
лимым, ибо повышения мощности и скорости можно достигнуть только за
счет снижения веса. Если мы пока еще не имеем права говорить о смене
«века железа» «веком алюминия», то значение алюминия все же никоим об-
разом нельзя недооценивать.
Следует обратить внимание еще на одно обстоятельство, а именно —
на одно кажущееся противоречие. Алюминий должен считаться весьма не-
благородным металлом, и все же он проявляет в высокой степени устойчи-
вость по отношению к действию внешних факторов. Так, например, кисло-
род не оказывает на него почти никакого действия, и алюминий в атмо-
сфере воздуха всегда сохраняет свой серебряный блеск. Как это следует
понимать? Объяснение этого явления совершенно просто, хотя и порази-
тельно. Как раз неблагородным характером алюминия и объясняется его
устойчивость. Дело в том, что при взаимодействии с кислородом поверх-
ность его тотчас же изменяется, но образовавшаяся пленка окиси являет-
ся непроницаемой для кислорода и поэтому защищает металл от даль-
нейшего окисления. Может показаться недостатком, что образовавшая-
ся пленка кислорода имеет толщину, равную лишь около 0,00003 мм, и
легко подвергается разрушению. Если бы было возможно искусственно
повысить толщину этой пленки, то таким путем можно было бы добиться
лучшей защиты поверхности металла. Это оказывается вполне возмож-
359
Гальваническое
ным именно опять-таки при помощи электролиза. Такой процесс на-
зывается методом элоксаль, т. е. методом электролитической оксидации
(окисления) алюминия. Для этой цели алюминий подвешивают в качест-
ве анода в разбавленной серной кислоте, служащей электролитом. Обра-
зующийся на аноде кислород окисляет металл при значительной про-
должительности электролиза, начиная от поверхности и все глубже и
глубже. Элоксальный слой доводят до толщины около 0,16 мм. При
гальваническом покрытии слой отлагается на поверхности, толщина обра-
батываемого предмета при
этом повышается, кроме того,
покрывающая пленка легко
поддается облупливанию.
Элоксальный процесс, наобо-
рот, протекает от наружной
к внутренней стороне, и изме-
нившийся слой оказывается
тесно сращенным с металлом.
При этом он повышает меха-
ническое сопротивление обра-
батываемых предметов и в то
же время повышает их сопро-
тивление по отношению к
химическим воздействиям.
Вследствие того что элоксал ь-
Первона- Алюмин и й
Рис. 164. Гальванизация и элоксирование алюминия.
ный слой отличается порис-
тостью, он легко поддается окраске некоторыми красящими веществами,
причем этой окраске может быть придана весьма значительная прочность.
Итак, повсюду электролиз! Это можно теперь уже считать вполне до-
казанным. Будем ли мы иметь дело с позолотой браслета, с хромированием
велосипедного руля, с производством граммофонной пластинки или с по-
лучением и очисткой важных для техники металлов — везде мы в этих слу-
чаях имеем дело с электролитическим процессом.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ИЗ МЕТАЛЛОВ
В обоих последних разделах мы познакомились с реакциями, при ко-
торых под влиянием действия электрической энергии протекали измене-
ния вещества. Воду мы разлагали на составляющие ее элементы — водо-
род и кислород, медь переходила на аноде в раствор и выделялась в метал-
лическом виде на катоде. Все эти процессы мы отнесли к общему понятию
электролиза.
Возникает вопрос, мыслимы ли и противоположные процессы, т. е.
возможно ли в результате течения химических реакций получать электри-
ческую энергию? На первый взгляд нам представляется, что мы сразу же
могли бы дать на этот вопрос положительный ответ. Ведь в конце концов
возникновение электрического тока главным образом основано на том, что
360
уголь сгорает и что выделяющаяся при этом теплота служит для нагрева-
ния воды. Образующийся пар, содержащий значительное количество энер-
гии, приводит в движение турбины, которые в свою очередь обусловлива-
ют движение ротора динамо-машины. А эта машина возбуждает индук-
ционные токи, приводящие в движение моторы или освещающие в вечернее
время наши помещения.
Разумеется, и эти данные могут послужить ответом на поставленный
нами вопрос. Но вопрос этот был поставлен совсем в другом смысле. В опи-
сываемых выше процессах форма энергии претерпевает многократные из-
менения, и каждый раз эти изменения сопровождаются ее потерями. Паро-
вая машина, например, превращает в полезную форму только часть предо-
ставленной ей энергии.
Однако нашей целью является получение непосредственным путем
электрической энергии при химических процессах. И это является делом
вполне возможным. Гальванические элементы и аккумуляторы являются
лучшим доказательством осуществления этой задачи. В то время как су-
хая батарея в нашем карманном фонарике непосредственно производит
электрический ток, аккумулятор может лишь накоплять этот ток и отда-
вать его обратно по мере надобности.
Истоки этой важной и интересной отрасли электрохимии восходят к
концу XVIII века.
В то время электричество еще было новинкой и находилось в колы-
бели своего развития, Кулон облек своим основным законом электри-
чества все учение об электричестве в одежды точной науки. Повсюду стали
интересоваться новыми электрическими явлениями и экспериментировать
с электрическими машинами и лейденскими банками.
Между прочим, опытами с электричеством стал заниматься и один
итальянский профессор медицины Луиджи Гальвани, который
изучал действие электричества на нервы и мускулы организмов. Ему уда-
лось наблюдать любопытные явления. Он препарировал лягушек для того,
чтобы использовать их в качестве экспериментального материала. Такие
свежепрепарированные лягушечьи лапки сокращались и вздрагивали,
когда поблизости приводилась в движение электрическая машина или когда
во время грозы происходил разряд молнии. Хотя источник электричества
и лягушечья лапка и не были связаны ничем, за исключением воздуха,
являющегося непроводником электричества, все же при этом происходило
раздражение нервов электричеством, которое обусловливало последующее
сокращение мускулов. Все это было весьма примечательным, но в конеч-
ном счете все же понятным.
Но как следовало объяснить другое явление? Снова Гальвани отпре-
парировал лягушечью лапку и подвесил ее на медной проволоке к же-
лезным перилам своего балкона, чтобы наблюдать, как она начнет вздра-
гивать во время приближающейся грозы. Однако пока еще небо не было
закрыто облаками, и только легкий ветерок предвещал наступление гро-
зы. Этот ветер раскачивал лягушечьи лапки в одну и другую стороны и
при этом они наталкивались также и на железные перила балкона, к ко-
361
торому были прикреплены. Но что это? Гальвани не поверил своим глазам.
Каждый раз, когда лягушечья лапка приходила в соприкосновение с же-
лезными перилами балкона, она вздрагивала совершенно таким же образом,
как это Гальвани наблюдал при своих прежних опытах. При этом никакая
электрическая машина не находилась в действии, и наступления грозы мож-
но было ожидать еще не скоро. Тем не менее наблюдалось такое явление с
лягушечьими лапками, какое ранее обусловливалось только влиянием
электричества. И в этих случаях должно было присутствовать электри-
чество и, если оно не поступало извне, то, следовательно, должно было
образовываться внутри лягушечьих лапок. Гальвани решил, что в этих
опытах образовывалось «животное» электричество.
Эти наблюдения были совершенно правильными, но иногда некоторые
явления не удается так просто привести в соответствие с их объяснением.
Через несколько лет
итальянский профессор
е Александр Вольта
продолжил опыты Гальвани.
Вздрагивания лягушечьей
11 лапки становились сильнее,
I____________________________ГТ1 ll когда два различных металла
1 I и приводились в соприкосно-
I вение с организмом, как это
’ и происходило в опытах
Рис. 165. Столб Вольта. Гальвани; у последнего лягу-
шечья лапка подвешивалась
на медной проволоке и во время своего движения сталкивалась с желез-
ными перилами балкона.В тех случаях, когда проволока, на которой были
подвешены лапки, и перила балкона были изготовлены только из железа,
т. е. из одинакового металла, сокращения лапок были гораздо слабее.
После этого Вольта поставил себе вопрос: необходима ли обязательно
лягушечья лапка для наблюдения описанных явлений. Он взял две
пластинки, изготовленные из различных металлов и приложил их сверху
и снизу к своему языку. В момент соприкосновения он ощутил сильный
«металлический вкус», подобный тому, какой ощущается при соединении
с языком обоих полюсов батареи от карманного фонарика. Да и вообще,
необходимо ли присутствие органического вещества, находящегося между
двумя пластинками? Не действует ли промежуточное вещество, находящее-
ся между обеими пластинками, лишь благодаря содержанию в нем элек-
тролита? Оказывается, что то же явление будет наблюдаться и при помеще-
нии между пластинками полосок фильтровальной бумаги, пропитанных
разбавленным раствором серной кислоты, выполняющей функции элек-
тролита. При соединении обоих металлов проволокой будет наблюдаться
электрический ток. Так был создан вольтов столб, который вплоть до по-
явления динамо-машины был главнейшим источником электрического тока
и давал возможность путем комбинации многих медных и цинковых пла-
стинок и многих пропитанных кислотой полосок фильтровальной бумаги
362
получать ток значительного напряжения и значительной силы. Когда
Дэви получил в начале XIX века путем электролиза металлы натрий и
калий, он пользовался в качестве источника тока вольтовым столбом.
Таким образом, для создания напряжения должны быть применены
два различных металла, соединенные друг с другом через электролит. Со-
ответственно при этом возникает разность потенциалов. Вольта располо-
жил металлы в особый ряд напряоюений. Чем дальше друг от друга
стояли в этом ряду отдельные металлы, тем сильнее было возникавшее меж-
ду ними напряжение. При этом левостоящий металл становится анодом,
а правостоящий металл — катодом.
Правда, Вольта еще не мог включить в ряд легкие металлы, ибо они
были лишь позднее получены в элементарном состоянии. В настоящее вре-
мя ряд напряжений важнейших элементов имеет такую последователь-
ность:
(+)С, Pt, Ag, Си, Pb, Sn, Fe, Zn, Al, Mg, Na (—).
Таковы первые физические результаты в отношении этой проблемы.
Но рассмотрим ее теперь с химической точки зрения. В этой области встре-
чаются некоторые случаи, которые с первого взгляда могут показаться пря-
мо-таки поразительными и которые составляли загадку еще во времена
алхимиков и заставляли их думать о трансмутации металлов, т. е. о пре-
вращении одних металлов в другие. Дело в том, что при погружении бле-
стящего железного гвоздя в раствор сульфата меди этот гвоздь через корот-
кое время покрывается слоем красной меди, разумеется, лишь до той вы-
соты, на которую он был погружен в раствор. При этом в растворе сульфата
меди, до этого бывшем совершенно чистым и не содержавшем примесей,
можно будет обнаружить ионы железа, которые могли попасть в этот рас-
твор только из вещества железного гвоздя. При внесении же медного гвоз-
дя или кусочка медной проволоки в раствор сульфата железа не произой-
дет ничего подобного. Но при погружении медной проволоки в раствор соли
ртути эта медная проволока очень скоро покроется блестящим слоем
ртути. Не правда ли, весьма своеобразные явления? И что же, должны
ли эти явления иметь какое-нибудь отношение к опытам Вольта?
Безусловно, ибо если мы проведем химические опыты с самыми разно-
образными металлами и солями металлов, то нам удастся расположить все
металлы в ряд, вполне соответствующий давно известному ряду напря-
жений, установленному Вольтой. На левом фланге будут находиться бла-
городные металлы, затем последуют полублагородные металлы, как на-
пример ртуть и медь, а далее, после железа и цинка, ряд дойдет и до не-
благородных легких металлов — натрия и калия:
Pt, Au, Hg, Ag, Cu, Sb,H, Pb, Sn, Ni, Co, Cd, Fe, Cr, Mn, Al, Mg, Ca, Na, К
благородные неблагородные
При рассматривании этого ряда нам, конечно, покажется несколько
странным присутствие в этом ряду газообразного водорода, который обык-
новенно находил свое место среди неметаллов. Однако его присутствие в
363
ряде напряжения мы постараемся обосновать и оценить несколько позже.
В пределах ряда напряжений каждый следующий стоящий вправо металл
вытесняет из его солей металл, находящийся по сравнению с ним левее.
Железо находится правее, чем медь, и следовательно, оно вытесняет ионы
меди из сульфата меди, и это становится заметным благодаря выделению
металлической меди. Одновременно соответствующее число атомов железа
перейдет в раствор в виде ионов железа. Мы могли бы выразиться следую-
щим образом: железо как бы обнаруживает большую склонность перехо-
дить в ионное состояние, чем медь. Железо характеризуется большим
«стремлением к ионизации», обнаруживает более значительную «упругость
растворения».
Таким образом, в этих явлениях вообще наблюдается, что стремле-
ние к ионизации металлов возрастает в ряду напряжений слева направо.
Благородные металлы, как например золото или платина, труднее об-
разуют химические соединения, чем неблагородные металлы.
Но каким образом нам удается снова сопоставить все изложенное с
электрическими явлениями?
Сделаем дальнейший шаг и погрузим в воду вместе с цинком какой-
нибудь другой металл, стоящий правее в ряду напряжений. Невооружен-
ным глазом мы при этом не заметим ничего особенного, однако мы знаем,
что цинк отличается весьма значительным стремлением к ионизации или,
иными словами, имеет значительную упругость растворения. Поэтому с
поверхности цинка в раствор начнут переходить атомы цинка в виде ионов.
При этом соответственно уравнению
Zn — 2©7^Zn++
каждый атом цинка лишается двух электронов, которые остаются на том
куске цинка, с которого этот атом перешел в раствор. Таким образом, рас-
твор приобретает благодаря переходу в него ионов цинка положительный
заряд, а металл, на котором будет накопляться все в большем и большем
числе избыток электронов, зарядится отрицательно. Правда, эта реакция
не будет протекать в течение произвольно продолжительного времени. Чем
сильнее будут становиться положительный заряд раствора и отрицатель-
ный заряд металла, тем труднее будет атомам цинка вырываться в
раствор в качестве положительных ионов из отрицательно заряженного
металла и тем чаще, наоборот, ионы цинка начнут обратно осаждаться на
металл, как это указывает нижняя стрелка в уравнении. Следовательно,
через некоторое время установится химическое равновесие.
В процессе реакции, указанной верхней стрелкой, направленной
в правую сторону, положительные и отрицательные заряды частично ока-
зываются отделенными друг от друга, и в результате этого начинает уста-
навливаться состояние равновесия, которое скоро и достигается благодаря
все более и более возрастающему усилению противоположных зарядов.
Вообразим себе вагон трамвая, в который стремятся сесть многие пас-
сажиры. До тех пор, пока вагон пуст, дело идет хорошо и быстро, люди
могут удобно войти в вагон. Но когда вагон будет заполнен, то дальнейшим
364
пассажирам уже будет труднее найти себе место. Они лишь с трудом
сумеют «протолкаться» в вагон, отталкивание их изнутри будет становить-
ся все более и более сильным, и, наконец, наступит момент, когда вагон
окажется окончательно заполненным и когда дальнейшее проникновение
в него сделается уже невозможным, за исключением того случая, если кто-
нибудь из пассажиров окажется вытесненным через переднюю дверь.
При погружении цинка в заранее приготовленный разбавленный рас-
твор сернокислого цинка, уже с самого начала содержащий в значительном
количестве ионы цинка и сульфатные ионы, упругость растворения метал-
лического цинка будет меньше, и равновесие установится раньше. Иначе
Рис. 166. Переход атомов цинка
в раствор в виде ионов цинка.
Рис. 167. Переход ионов меди в
атоме меди и осаждение их на
аноде.
будет обстоять дело для довольно благородного металла, например для
меди. Упругость растворения этого металла весьма невелика, и в ионное
состояние атомы меди переходить не будут. Наоборот, при погружении
медной палочки в более или менее концентрированный раствор сульфата
меди, т. е. в такой раствор, в котором содержится большое число ионов
меди, эти ионы начнут выделяться из раствора на медную палочку в
металлическом состоянии:
Cu++4-2ez: Си.
В данном случае для каждого иона меди потребуется два электрона,
которые не могут быть получены иначе, как из вещества медной палочки.
В результате этого металл приобретает положительный заряд. И этот про-
цесс также может протекать в противоположном направлении, почему и
в этом случае между обеими реакциями через некоторое время установится
химическое равновесие.
365
Подведем итоги. Цинковая палочка заряжается вследствие избытка
электронов отрицательно, а медная палочка — вследствие недостатка элек-
тронов — положительно. Следовательно, между обоими металлами об-
разуется разность напряжений. При соединении обоих металлов проволо-
кой с наружной стороны избыточные электроны цинка будут переходить
на медь, и по соединяющей оба металла проволоке потечет электриче-
ский ток.
Разумеется, этот ток прекра-
тится, как только весь избыток
электронов перетечет к меди. Но
одновременно произойдет и другое,
весьма существенное явление. От
металлического цинка при вклю-
чении тока непрерывно будут
удаляться те избыточные электро-
ны, которые раньше затрудняли
дальнейший переход атомов цинка
в ионы цинка. Реакция, следова-
тельно, после этого сможет про-
должаться в смысле верхней стрел-
ки соответственно уравнению:
Zn —2©-*Zn++.
Успешнее всего эти реакции
будут протекать при помещении
обоих металлов в сосуд, разделен-
ный полупроницаемой мембраной.
Цинковая палочка погружена в
очень разбавленный раствор суль-
фата цинка, а медь — в значитель-
Рис. 168. Элемент Даниэля.
но более концентрированный рас-
твор сульфата меди. Полупроницаемая перегородка хорошо обеспечивает
невозможность перемешивания обоих электролитов, допуская, однако,
возможность выравнивания зарядов. Таким образом и построен элемент
Даниэля, который перерабатывает энергию, освобождающуюся при тече-
нии этих химических процессов, в электрический ток.
Разумеется, этот элемент не будет вечно давать ток. Во время тече-
ния реакций концентрация сульфата цинка повышается, а концентрация
сульфата меди понижается; в равной степени понижается также и разность
напряжений и ослабевает течение тока до тех пор, пока они не станут рав-
ными нулю. Описанный элемент мы сможем получить лишь в том случае,
если будем применять для этого два металла, находящиеся в ряде напря-
жений на далеком расстоянии друг от друга, как это можно сказать относи-
тельно цинка и меди. Один металл обнаруживает в значительной степени
положительное стремление переходить в раствор, а другой — отрицатель-
ное. Таким образом и создается разность потенциалов.
366
Но это все нас еще не вполне удовлетворяет. Как же нам быть с во-
дородом в ряду напряжений металлов? Ведь водород, несомненно, являет-
ся неметаллом; как же нам устроить из самого водорода необходимую для
измерений «водородную палочку»? Действительно, водород не является ме-
таллом, но не подлежит сомнению, что и он также характеризуется опре-
деленной упругостью растворения, т. е. проявляет тенденцию переходить
в ионное состояние, как это мы могли установить для металлов. И это ут-
верждение вполне возможно подтвердить экспериментально. Некоторые
благородные металлы, как например палладий или платина, способны при
действии на них струи водорода поглощать поверхностью этот газ, и та-
кая палладиевая жесть ведет себя так, как будто бы она была не палладие-
вой, а «водородной» жестью. Подвесив ее в растворе сульфата меди, можно
видеть, что она покроется налетом меди, ибо водород обладает большей
тенденцией переходить в ионное состояние, чем медь, и может вытеснять
последнюю из раствора ее соли.
В ряду напряжений водород находится между свинцом и сурьмой.
Результатом этого обстоятельства и является то, что все металлы, находя-
щиеся в ряду правее водорода, будут вытеснять последний из раствора,
содержащего водородные ионы, и он будет выделяться в элементарном сво-
бодном состоянии. Таким образом, раствор водорода представляет собой
разбавленную кислоту. После этого нам становится понятным, что металлы
вроде цинка или железа могут растворяться в разбавленной соляной или
серной кислотах. Тенденция этих металлов к ионизации будет больше срав-
нительно с тенденцией к ионизации водорода. Наоборот, медь не будет
растворяться в разбавленной кислоте, ибо в этом случае обстоятельства
будут как раз обратными. Но при применении концентрированной серной
кислоты медь все-таки будет переходить в раствор. Однако реакция в по-
следнем случае будет протекать иначе, чем мы привыкли это наблюдать
в других случаях действия кислоты на какой-нибудь металл. При взаимо-
действии концентрированной серной кислоты с медью выделяется двуокись
серы, а выделения водорода не наблюдается. Водород кислоты не может
считаться вступившим в реакцию обменного разложения с медью — этого
не может произойти в соответствии с выводами, вытекающими из ряда на-
пряжений. Однако металл медь подвергается окислению при действии этой
богатой по содержанию кислорода кислоты, и лишь после этого он может
быть переведен в соль. Реакция станет для нас более понятной, если мы ее
запишем в виде двух стадий:
1. Cu+H2SO4-*CuO+H2O+SO2
2. CuO + H2SO4^CuSO4+H2O_______
1+2. Cu+2H2SO4-> CuSO4+2H2O+SO2.
Соответственным образом будет реагировать и еще более богатая по
содержанию кислорода азотная кислота, которая способна легко перево-
дить в раствор даже столь благородный металл, как серебро.
Однако вернемся опять к нашим гальваническим элементам. С элемен-
том Даниэля мы уже познакомились. На таком же принципе основан и
367
элемент Вольты, который был использован Вольтой в его вольтовом
столбе. Последний состоит из цинковых и медных пластинок в растворе
разбавленной серной кислоты, или же эти пластинки могут быть разделе-
ны полоской фильтровальной бумаги, пропитанной электролитом. Мы уже
знакомы со значительной тенденцией цинка к переходу в раствор. Цинк
посылает в раствор ионы и одновременно сам заряжается отрицательно.
Медь стоит в ряду напряжений по левую сторону от водорода, и поэтому
водородные ионы будут выделяться в виде элементарного газообразного во-
дорода у меди и заряжать медь положительно. Снова между обоими метал-
лами установится разность потенциалов. При их соединении друг с другом
проволокой электроны смогут начать выравниваться: по проволоке поте-
чет ток. Однако в этом элементе мы скоро установим нечто огорчительное:
уже после очень короткого действия напряжение описываемого элемента
начнет обнаруживать заметное понижение и не сможет быть для нас полез-
ным. Почему это так? Ведь время, в течение которого мы пользовались им,
было так непродолжительно, и вряд ли прекращение действия элемента
можно объяснить исчерпанием цинка или водородных ионов.
Одно сравнение должно нам помочь понять то, что произошло. Пред-
ставим себе, что мы сидим в автомобиле и едем на полном газе вдоль по пря-
мой улице. Ветер, несмотря на всю свою силу, не оказывает никакого
влияния на скорость движения нашей машины, потому что он дует на ав-
томобиль с левой стороны. Спидометр на арматурном щите уже показывает
в течение некоторого времени постоянную скорость 100 км в час; это свиде-
тельствует о том, что дорога совершенно прямая, без уклонов и что мотор
работает равномерно. Но вот дорога делает поворот на 90° влево, и наш ав-
томобиль, разумеется, последует направлению этого поворота. Нажав сно-
ва на педаль газа, мы установим, что спидометр показывает скорость лишь
90 км в час и уже больше не ползет кверху. Что же случилось? Можно себе
представить, две причины понижения скорости, если предположить, что
дорога все время имеет одно и то же направление и остается ровной без по-
вышения и понижения. Либо мотор автомобиля уже не движется столь же
равномерно, и в нем образовался какой-нибудь небольшой недостаток,
понизивший максимальное число оборотов. Либо в результате поворота
влево ветер начал дуть на нас уже спереди, а не с левой стороны. С извест-
ной силой он теперь дует против движения автомобиля и, конечно, пони-
жает скорость его движения.
Совершенно аналогично этому обстоит дело и в нашем элементе. На
меди выделялся элементарный водород, который покрывал поверхность
меди. Водород тоже обнаруживает тенденцию переходить в ионное состоя-
ние и частично снова переходить в раствор: при этом он заряжает элект-
род отрицательным зарядом. Продукты разложения электролита, вы-
деляющиеся на аноды, будут стараться зарядить последний положительно.
Образующиеся на электродах при действии элементов продукты разложе-
ния могут, следовательно, в свою очередь образовать как бы элемент в эле-
менте, в котором течет ток, направленный в противоположную сторону по
отношению к первому току. Правда, этот ток слабее, однако он все же по-
368
нижает напряжение первого тока. Все это называется поляризацией, а про-
тивоположный ток — поляризационным током.
Здесь, таким образом, также дело сводится к тому, чтобы избежать
в гальванических элементах поляризационного тока для того, чтобы со-
хранить остающееся на постоянном уровне напряжение. Как этого удается
добиться, мы увидим в элементе Лекланше. В качестве катода служит цинк,
в качестве анода — кусок особенным образом приготовленного угля, ко-
торый обнаруживает очень низкую тенденцию переходить в ионизирован-
ное состояние. Электролитом является раствор хлористого аммония. Хло-
ристый аммоний, как соль сильной кислоты и слабого основания, обнару-
живает вследствие гидролиза
слабокислую реакцию и обра-
зует водородные ионы, выделя-
ющиеся в виде нейтральных
водородных молекул на угле и
заряжающие его положительно.
Приставший к углю водород
должен теперь быть удален,
если мы не хотим иметь дело
с потерей напряжения вследст-
вие поляризации. Для этой цели
угольный электрод окружают
чехлом, заполненным пиролюзи-
том.
Пиролюзит, как известно,
представляет собой двуокись
марганца МпОг, которая содер-
жит относительно много кисло-
рода и способна легко его выде-
лять, действуя при этом в каче-
стве окислителя. Этот кислород
Рис. 169. Элемент Лекланше.
двуокиси марганца окисляет
выделяющийся водород с образованием воды и таким образом обезврежи-
вает этот водород.
Если мы окружим цинковым катодом весь элемент и в качестве напол-
нителя используем опилки, пропитанные электролитом — хлористым ам-
монием, то мы получим так называемый сухой элемент, с которым мы зна-
комы по сухим батарейкам для карманных фонариков. Здесь соединены три
отдельных элемента в одну батарею. Все они дают в неиспользованном со-
стоянии напряжение в 4,5 вольта. Такой сухой элемент в строгом смысле
слова, конечно, не является сухим, да и вовсе не должен быть таковым.
Если в результате какого-нибудь дефекта в его изолирующей оболочке он
действительно высохнет, то потеряет свою способность производить элект-
рический ток. Нам известно также и то, что если такая его порча произой-
дет, то он уже в своем электролите не будет больше содержать свободных
ионов.
24 3. Шпа^суч
369
Мы можем рассматривать гальванические элементы с двух точек зре-
ния, и при этом мы можем отметить как их преимущества, так и недостат-
ки. Как положительное следует рассматривать то обстоятельство, что они
производят ток «из самих себя», непосредственно в результате протекающих
в них реакций. Недостатком можно считать то, что они расходуются в те-
чение этих реакций, сами себя пожирают и делаются для желаемой цели
навсегда непригодными, и приходится собирать новый элемент.
Однако для большинства практических целей было бы вполне доста-
точным иметь такой элемент, в котором при избытке тока можно было бы
электричество накоплять с тем, чтобы затем по мере надобности им поль-
зоваться. К тому же такой прибор мог бы нас освободить от зависимости,
связанной с применением динамо-машины. Читатель догадывается, вероят-
но, куда мы клоним речь. Таким прибором является аккумулятор, который
способен вбирать в себя электричество, отдавая его в определенное время,
и затем снова поглощать откуда-нибудь это электричество. Такой аккуму-
лятор является крайне необходимым для автомобилей, в которых он с по-
мощью электромотора заставляет поршень совершать свои первые движе-
ния и вызывает проскакивание первых зажигательных искр до тех пор,
пока запущенный мотор сам не начнет производить для себя при помощи
турбины необходимое электричество. Большинству людей аккумулятор
представляется весьма загадочным прибором. Они хорошо знают, что его
необходимо время от времени заряжать, что он состоит главным образом
из тяжелых свинцовых пластин (хотя это и не всегда оказывается верным)
и из разбавленной серной кислоты, так называемого «электролита». Одна-
ко, как протекает процесс его зарядки и разрядки, это для большинства
является темным и непонятным.
Попробуем связать объяснение его действия с явлениями поляриза-
ции, с которыми мы познакомились при рассмотрении гальванических
элементов. Мы видели тогда, что поляризационные токи сильно тормозят
действие элемента, ибо они способны в значительной степени ослаблять
силу необходимого нам тока. «То, что для одного подобно сове, то для дру-
гого — подобно соловью», гласит немецкая пословица. Действие аккуму-
лятора основано на том факте, что существуют поляризационные явления.
Без этих явлений его действие не было бы возможно. Во время процесса
зарядки образуются продукты электролиза на обоих электродах аккуму-
лятора. Если мы отключим заряженный аккумулятор от источника тока,
то после замыкания тока в нем потечет поляризационный ток в противопо-
ложном направлении, и этот ток мы и сможем использовать. Ввиду того
что этот поляризационный ток составляет около 80% от того тока, который
был запасен в аккумуляторе, последний может работать с довольно хоро-
шим экономическим эффектом.
Если мы опустим две свинцовые пластины в разбавленный раствор
серной кислоты, то она вступит в реакцию со свинцовыми пластинами со-
гласно уравнению реакции:
Pb+H2SO4 PbSO4 + H2.
370
Это взаимодействие, правда, скоро приостанавливается, ибо образую-
щийся при этой реакции сульфат свинца нерастворим и остается осажден-
ным на свинце, вследствие чего свинец оказывается защищенным от даль-
нейшего действия серной кислоты. После этого мы соединяем обе покры-
тые с поверхности сульфатом свинца пластины с обоими полюсами источ-
ника постоянного тока. При этом начнет протекать реакция электролиза
серной кислоты. Водородные ионы направляются к катоду и будут там
взаимодействовать с сульфатом свинца с образованием свинца и серной
кислоты:
Катод: PbSO4+H2 — Pb+H2SO4.
Таким образом, здесь, на катоде, сульфат меди превращается обратно
в свинец, причем одновременно образуется серная кислота.
К аноду направятся ионы SO—; после сдачи аноду своих зарядов
они также вступят во взаимодействие с сульфатом свинца. При этом
сульфат свинца превратится при действии молекул воды в двуокись
свинца с одновременным образованием серной кислоты:
Анод: PbSO44-SO4+2H2O— PbO2+2H2SO4.
Как на катоде, так и на аноде при зарядке аккумулятора образуется
серная кислота, а на аноде, кроме того, расходуется вода. Таким образом,
концентрация серной кислоты повышается во время процесса зарядки.
Поэтому измерения удельного веса кислоты дают наилучший показатель
состояния аккумулятора. Из обеих свинцовых пластин на той, которая
служила катодом, образуется свинец, а на той, которая играла роль
анода,— черная двуокись свинца.
Обратим, кроме того, внимание на валентность свинца. В виде суль-
фата свинца он проявляет себя в качестве двухвалентного положительно
заряженного иона РЬ + +. В самой свинцовой пластинке его атомы, разу-
меется, находятся в незаряженном состоянии, т.е. с зарядом ± 0, а в дву-
окиси свинца атомы свинца несут по четыре положительных заряда. Это
объясняет явление напряжения аккумулятора. Процессы не протекают
в природе беспланово, если на них не оказывают какого-либо влияния
внешние силы. Наоборот, эти процессы всегда стремятся осуществлять вы-
равнивание. В заряженном аккумуляторе электроды состоят из четырех-
валентного свинца и из свинца, обнаруживающего «нулевую» валентность.
Благодаря этому и оказывается достигнутым неустойчивое состояние на-
пряжения. Средним состоянием было бы такое, при котором валентность
свинца была равна 2. В этом направлении и протекают процессы при раз-
рядке аккумулятора. При соединении проводом обеих пластин с нейт-
рального свинца электроны потекут к четырехзарядному положитель-
ному свинцу, каковыми свойствами свинец и отличается в образованном
этим четырехзарядным свинцом соединении — двуокиси свинца. Благодаря
этому первоначально незаряженный свинец превращается в двухзарядный
ион и приходит во взаимодействие с содержащимися веерной кислоте суль-
фатными ионами с образованием нерастворимого сульфата свинца.
Катод: Pb — 2©->РЬ++; Pb+++SO4"“— PbSO4.
24*
371
Электроны поступают к четырехвалентным ионам свинца, имеющимся в
двуокиси свинца, и превращают четырехвалентные ионы свинца в двухва-
лентные ионы свинца, а последние в свою очередь взаимодействуют с суль-
фатными ионами с образованием нерастворимого сульфата свинца.
Выделившиеся из двуокиси свинца кислородные ионы соединяются
с водородными ионами с образованием воды:
Анод: РЬО2+2 @ —* РЬ+++2О—
Pb++4-SO~— PbSO4
20—+4Н+->2Н2О.
Таким образом, при этих процессах образуется вода и потребляется
серная кислота, притом точно в таком же количестве, в каком при зарядке
было затрачено воды и образовано серной кислоты. Да и свинцовые пла-
стины снова превратились на поверхности в сульфат свинца, и первона-
чальное состояние восстановлено. Появляющийся при этом поток электро-
нов от свинца к двуокиси свинца и представляет собой не что иное, как
наш электрический ток. При возобновленном использовании поступающей
извне электрической энергии может быть снова достигнуто более богатое
по содержанию энергии и по напряжению состояние, и аккумулятор после
этого снова перейдет в устойчивое, более бедное по содержанию энергии
состояние, причем освобождающаяся при этом энергия снова проявится
в виде электричества.
Мы не будем здесь подробно останавливаться на многочисленных от-
дельных технических вопросах. Упомянем только о том, что емкость и
мощность аккумулятора зависит от поверхности пластин. Поэтому уже
не приходится довольствоваться, как мы это сделали, тонким слоем суль-
фата свинца, но обыкновенно применяют свинцовую сетку, в которую
впрессовывают пасту из сульфата свинца, имеющую вследствие своей
пористости необходимую большую поверхность.
Обсуждением действия аккумулятора мы и закончим изложение об-
ласти электрохимии. Эта область весьма обширна, и такое впечатление мы
несомненно, должны были получить из изложенного выше материала.
Но она, кроме того, весьма многообразна и включает в свое содержание
целый ряд технически важных проблем. Хотя динамо-машина и захва-
тила почти полностью производство электрического тока, все же аккуму-
ляторы, как источники тока, нисколько не потеряли при этом своего
значения. В отношении многообразных применений электричества в об-
ласти химических реакций не приходится добавлять ничего к сказан-
ному, чтобы доказать его чрезвычайно важное значение для науки и тех-
ники.
МИХАИЛ ФАРАДЕЙ
В 1800 году естествоиспытатели были связаны друг с другом гораздо
ближе, чем в настоящее время. Интенсивные исследовательские работы
минувших 150 лет повели к накоплению такого обширного фактического
372
материала, что как в самом естествознании, так и внутри отдельных его
дисциплин стала необходимой все более и более мелкая дифференциация и
систематизация. Если в настоящее время химия и физика резко разграни-
чены друг от Друга и связаны друге другом еще самостоятельной областью
науки — физической химией, то в те времена считалось вполне возможным,
чтобы отдельные исследователи не только охватывали всю химию и овладе-
вали ею, но, кроме того, вносили выдающиеся вклады и в физику. Для
тех времен не требовалась и не была обычной столь широкая и специальная
подготовка, как это имеет место ныне. В настоящее время для студента тре-
буется затрата многих лет для приобретения научного образования, кото-
рое дало бы ему в будущем способность проводить собственные научные
исследования, ибо ныне каждое новое достижение в области знания выра-
стает из значительного числа предыдущих достижений. В те же времена
было вполне возможно, чтобы многие даровитые молодые люди, не имев-
шие систематического среднего и высшего образования, вырастали в иссле-
дователей с мировым именем. Это обстоятельство никоим образом не может
снизить их достижений, ибо под понятием гения обычно скрыты громадные
труды и усердие, а возвышение для человека, происходящего из низших
слоев народных масс, было при общественных условиях тех времен весьма
трудным.
К таким ученым, проникшим в качестве самоучки в царство науки
без достаточного школьного образования и без поддержки со стороны ро-
дительского дома, зарекомендовавшим себя исключительно крупными до-
стижениями, принадлежал и английский ученый Михаил Фарадей.
«Михаил!» Голоса хозяина переплетной мастерской невозможно было
не услышать. Но ответом на этот голос было молчание. И через короткий
промежуток времени снова раздается возглас: «Михаил!», но на этот раз
еще громче и раздражительнее.
14-летний застенчивый мальчик вздрагивает, быстро откладывает
в сторону книгу, которую он как раз в это время перелистывал, и выбе-
гает из узкой темной мастерской в маленькую комнату хозяина.
«Куда ты опять запропастился? Что же тебя необходимо окликать
дважды? Опять, наверное, засел за книги. Можешь читать сколько угод-
но, но не во время работы. Понятно?»
Мальчик потупил голову, а хозяин продолжал: «И что тебе дает это
чтение? Ведь с этим у тебя ничего не выйдет. Изучай лучше свое ремесло.
Этим ты достигнешь большего».
«Но в книгах содержатся все знания людей, и кто их читает, тот по-
лучает знания»,— произнес Фарадей.
«Знания людей? Все может быть, милый, но это не для нас. Наша за-
дача заключается не в том, чтобы писать и читать книги, а в том, чтобы их
переплетать, и это тоже является необходимым. Но что я провожу время
в болтовне с тобой? На, возьми эти три книги и отнеси их господину Дан-
тону. Скажи ему, что они готовы и что работа стоит шиллинг!»
373
Уже целый год Фарадей учится переплетному мастерству, после того
как он был в продолжение короткого времени на побегушках в книжном
магазине и разносчиком газет, чем зарабатывал себе пару пенни. До этого
времени в его жизни не произошло ничего необычайного. Родился он
22 сентября 1791 года в предместье Лондона. Отец его Дуглас Фарадей,
вероятно, тихо вздохнул при его рождении, ибо его жалкого заработка и
до сих пор едва хватало, чтобы прокормить семью. Еще слава богу, что
его жена была очень хорошей хозяйкой и всегда держала в руках свое
хозяйство. Шести лет от роду Михаил был отдан в народную школу, где
плохо ли, хорошо ли научился читать, писать и считать настолько, нас-
колько это ему понадобилось впоследствии.
Кем же станет этот мальчик? Отец не ломал себе головы над этим во-
просом. Во всяком случае он не мог сделаться кузнецом, для этого его те-
лосложение было слишком щуплым. Пожалуй, пусть он станет переплет-
чиком, тем более, что мальчик с большим усердием проглатывал все
книги, которые ему попадались в руки. В качестве переплетчика он смо-
жет лучше всего удовлетворять свою страсть, если с течением времени не
утратит эту свою привязанность.
Впрочем, этого не случилось. Наоборот, его страсть к чтению книг
еще усилилась. Целый день, переплетая книги, он имел возможность их
перелистывать, и при этом выискивать наиболее подходящее для себя,
а вечером и ночью он их читал в своей маленькой каморке. Удивительный
мир открывался ему здесь, который до того был для него совершенно за-
крыт. Особенно сильное впечатление на него оказала книга одной женщины
М а р с е т «Беседы о химии». В первый раз он сознательно знакомил-
ся с этой наукой, которая его подвела к миру веществ и их взаимодей-
ствий. Добросовестно он изучил эту книгу, сделал для себя много приме-
чаний по поводу ее содержания и затратил часть своего скудного заработ-
ка на приобретение химической посуды и реактивов, которые ему были
необходимы для воспроизведения описанных в книге опытов.
Он не ограничивается только одним чтением книг. В то время чита-
лись общедоступные лекции по физике и химии. Юный Фарадей посещал
их. Один из заказчиков переплетной мастерской заинтересовался этим мо-
лодым учеником, в котором пробудился интерес к науке, и стал его брать
на заседания Королевского института—только что учрежденного в то
время общества, поставившего себе цель распространения естественно-
научных знаний. Здесь Фарадей знакомится с достигшим высшей точки
своего успеха химиком Гэмфри Дэв и, который как раз в это
время занимался вопросом электролитического разложения солей и уже
сумел впервые получить в металлическом состоянии натрий и калий.
Дома Фарадей аккуратно обрабатывал записанные доклады и снабжал
их рисунками, а также, насколько это было для него доступно, вос-
производил сам увиденные опыты.
Однако все это, по-видимому, не оказало на его жизнь решительного
воздействия. Слишком велика была граница между переплетной мастер-
ской и наукой. В 1812 году для Фарадея прошел срок ученичества, и он
374
сделался подмастерьем у другого мастера, который, однако, мало содей-
ствовал научным увлечениям Фарадея и старался их задушить избытком
работы. Только теперь Фарадей как следует понял узость и ограниченность
своей деятельности и решил помочь себе самостоятельно выбраться из свое-
го положения. Он аккуратно переплел записанный и проработанный кон-
спект прослушанных им лекций в Королевском институте, приложил к
нему сопроводительное письмо, в котором просил помощи и поддержки, и
все это отправил сэру Дэви. Последнему понравился конспект лекций,
и он пригласил Фарадея к себе на служ-
бу. Таким образом, вскоре после этого
события величайшее желание Фарадея
осуществилось: он был принят Дэви в
качестве помощника по лаборатории.
Исполненный усердия, весьма ис-
кусно Фарадей принялся за выполнение
поставленных задач. Скоро Дэви по-
нял, кого именно он приобрел в лице
своего помощника, и все чаще и чаще
привлекал его в качестве ассистента к
своим собственным работам. По мере
того как возрастали практические на-
выки Фарадея, он старался восполнить
и свои пробелы в теории. Успех не
замедлил проявиться. Уже через четыре
года он смог положить начало в фило-
софском обществе в Сити целой серии
лекций, в которых он рассказывал
«о свойствах, наблюдениях в материи,
о формах материи и об элементарных
Рис. 170. Михаил Фарадей (1791 —1867).
веществах».
Дэви был химиком и поэтому неудивительно, что первые работы
Фарадея относятся к этой области науки.
Он начал с разработки метода анализа одного известняка из Тосканы.
«Сэр Гэмфри Дэви поручил мне в качестве первой моей экспериментальной
химической работы выполнение этого анализа в то время, когда моя
боязнь была сильнее, чем вера в мои собственные силы, и когда то
и Другое были значительно большими, чем мои знания, в то время,
когда для меня мысль о самостоятельной научно-исследовательской работе
еще никогда не приходила в голову»,— так писал позднее Фарадей. За
этой работой последовали работы над оптическими стеклами и над пере-
ведением в жидкое состояние хлора, а затем получение им бензола и
бутилена. Однако все эти работы были лишь увертюрами для его позд-
нейших работ, которые сделали имя Фарадея в естествознании бессмерт-
ным. От химии он все более и более переходил к физике. Это уже
проявилось тогда, когда он пошел дальше по следам своего учителя Дэви
и своими исследованиями электрических явлений создал научные основы
375
электрохимии. Да и столь распространенные ныне понятия, как элек-
тролиз, электроды, анод, катод и ионы, восходят к Фарадею. Откры-
тые им и названные позднее его именем законы электролиза допуска-
ют количественное изучение этих явлений. Дальнейшие работы Фарадея
имеют преимущественно физический характер и поэтому могут быть лишь
бегло упомянуты здесь. Обнаружением индукционных токов Фарадей в
1831 году открывает новую обширную область физики, и его работы позд-
нее, через много лет имели своим результатом создание динамо-машины
и электромотора. Затем он ищет и находит взаимозависимость между элек-
трическими и магнитными силами и становится основоположником физики
электромагнитного поля. Особенно его интерес привлекли к себе маг-
нитные явления. Он воспринял различие между пара-и диамагнитными
явлениями и установил вращение плоскости поляризованного луча в маг-
нитном поле. Все эти работы составляют лишь часть его фундаментальных
работ. В конце своей жизни он пытался установить влияние магнитного
поля на спектральные линии и уже предугадывал эффект, открытый позд-
нее Зееманом. Тщетно он пытался установить взаимозависимость между
магнетизмом и силой земного тяготения.
Естественно, что ег*о имя приобретало среди ученых все большую
славу и значение как в Англии, так и за ее пределами. Многочисленные
приглашения и почетные избрания не заставили себя долго ждать. Этому
не смог помешать и Дэви, который к концу своей жизни переживал быст-
рые успехи своего ученика не без зависти. Несмотря на слова Дэви о том,
что «Фарадей был наилучшим открытием самого Дэви», он все же не удер-
жался от того, чтобы в позднейшие годы выдавать часть работ Фарадея
за свои собственные. Ввиду того что Фарадей получил от него толчок к не-
которым работам, Дэви не постыдился в некоторых случаях обвинить
своего ученика в идейном воровстве. Когда дело дошло до голосования в
Королевском .обществе, может ли Фарадей быть допущен к избранию чле-
ном Общества, президент Общества Дэви подал в единственном числе свой
голос против него, после того как еще до голосования он высказался против
избрания своего ученика. Тихая односторонняя вражда (ибо Фарадей ни-
когда не допускал себя до неуважительных слов или действий по отноше-
нию к своему высокопочитаемому учителю) закончилась лишь со смертью
Дэви.
После смерти Дэви на Фарадея были возложены обязанности са-
мого Дэви, которые он и выполнял добросовестно в течение долгих лет
своей жизни. Он отклонял гораздо более выгодные предложения со сторо-
ны промышленности. «Ему стоило бы только пожелать,— пишет его друг
и биограф Тиндаль,— и он довел бы свои доходы не меньше чем до 5000
фунтов стерлингов в год». Однако для Фарадея наука была не доходным
предприятием, а целью служения всей его жизни и заставляла откло-
нять столь почетные должности, как звание президента Королевского об-
щества и Королевского института. «Я должен оставаться просто Фараде-
ем»,— заявил он однажды. Никогда он не забывал своего происхождения
и не делал секрета из того, что он происходит из неимущих кругов населе-
376
ния Англии. Несомненно, он вспоминал о своей собственной юности и о
том времени, когда с жаром ловил каждое слово из лекций Дэви. Он пом-
нил об этом, когда уже в возрасте 70 лет он читал перед аудиторией,
заполненной главным образом юношеской публикой, свои лекции об «Ис-
тории одной свечи». Эти лекции сохранили свое значение и по настоящее
время. Они принадлежат к классическим сочинениям в области химии и
доныне являются доступными для широкого круга читателей. Хотя со
времени прочтения этих лекций прошло уже почти 100 лет,они вследствие
своего простого и поэтому столь убедительного характера изложения ока-
зывают на читателя совершенно такое же действие, как и в то время,
когда они появились.
Напряженная работа, которой была преисполнена вся жизнь Фа-
радея, потребовала своих жертв. В возрасте 50 лет физические силы
и нервы Фарадея потерпели полное расстройство после того, как они ис-
пытали сильное истощение. Фарадей был вынужден на некоторое время
прервать свою деятельность и искать отдыха в Швейцарии. Здесь он от-
дохнул, но не получил полного исцеления. Возраставшая потеря памяти
затрудняла его работу, однако, несмотря на этот физический недостаток,
интеллект Фарадея отличался удивительным самообладанием. После того
как он вышел в отставку в 1866 году, его здоровье претерпело окончатель-
ное крушение. Временами его сознание приходило в затемненное состо-
яние, и ему казалось в эти периоды, что он делает замечательные от-
крытия. 25 августа 1867 года глаза Фарадея закрылись навсегда. Сего
смертью человечество потеряло не только выдающегося исследователя, но
и благородного, доброго человека.
ЧТО ТАКОЕ КОЛЛОИДЫ?
«Мир обойденных величин» — так назвал Вольфганг Оствальд кни-
гу, в которой он опубликовал свои лекции, прочитанные им в 1913—
1914 годах об основах коллоидной химии. Что обозначает это оригиналь-
ное и в то же время очень меткое название книги? Оствальд имел в виду
этим названием определить два обстоятельства, а именно: во-первых, что
коллоиды (или, вернее, коллоидальное состояние вещества) являются фун-
кцией величины частиц, и, во-вторых, что эта область химии и физики до
сих пор занимала положение падчерицы в науке. Между тем коллоидная
химия вовсе не являлась молодой отраслью науки. Еще Г р э м в 1860 году
изучал типичное для коллоидной химии состояние клея (по-гречески «кол-
ла» — клей), при этом он вовсе не был первым исследователем в этой об-
ласти. До него уже Сельми, Рихтер иБерцелиус были зна-
комы с веществами подобного рода и изучали явления, наблюдаемые при их
изменениях. Да наконец, каждый химик часто имел дело с ними. Однако
долго на коллоиды смотрели только как на вещества, величина частиц ко-
торых находится между величиной частиц, характерных для истинных
растворов, т. е. ионов или молекул, и величиной частиц взвесей или сус-
377
пензий с их видимыми в микроскоп частицами. Коллоиды рассматривали
либо в виде больших молекул или множества сцепившихся друг с другом
молекул, либо в виде тончайших осадков. Такая точка зрения не всегда
совпадала с фактами и иногда случалось, что при истолковании какого-
нибудь вопроса, ныне относимого к коллоидной химии, получались различ-
ные результаты, в зависимости от того, исходили ли при этом от истинного
раствора или от взвеси.
Было также найдено, что зависимость свойств вещества от степени его
измельчения выражается графически прямой линией, но что в пределах
коллоидов эти свойства часто обнаруживают предельные значения. В ка-
честве примеров может служить соотношение между твердостью и величи-
Рис. 171. Изменение прозрачности раствора
окиси цинка в зависимости от величины
частиц.
ной зерен для углерода в виде
графита и зависимость прозрач-
ности для суспензии цинка от ве-
личины зерен. В обоих случаях
при той величине частиц, которую
мы теперь относим к области кол-
лоидов, наблюдается значительное
отклонение от свойств систем,
наблюдаемых при соседних вели-
чинах. Эти взгляды и в значитель-
ной степени прекрасные работы
Вольфганга Оствальда
и русского ученого П. П. Вей-
мар н а послужили причиной того,
что в настоящее время Оствальд
уже не мог бы применить для на-
денные величины», ибо за
1956 годами, коллоидная
звания своей книги термин «обой-
промежуток времени, протекший между 1914 и
наука выросла в самостоятельную, важную и
общепризнанную отрасль химии.
Что же такое коллоиды? Выше мы для ответа на этот вопрос привлек-
ли величину частичек. Как уже было кратко упомянуто, растворы различ-
ных частиц могут представлять собой грубоизмельченные или, иначе, грубо-
дисперсные системы, в которых частицы, содержащиеся в дисперсионной
среде, имеют величину, большую 0,1 у. (где знаком р мы будем обо-
значать микрон = —-— мм). Такие грубодисперсные системы мы имеем в
виде взвесей мелкого песка в воде или в виде других взмученных и еще не
осевших на дно осадков. Частицы таких систем обыкновенно удается раз-
личить даже невооруженным глазом. Под микроскопом удается рассмот-
реть и все очертания подобных частиц.
Если частицы имеют размер меньше 1 мр. (1жи== ---------1--- мм) ,
1 000 000
то мы попадаем в область истинных растворов, частицы которых уже не мо-
378
гут быть замечены при помощи даже самых лучших микроскопов, ибо раз-
решающая способность микроскопов будет в этих случаях меньше, чем
диаметр такой частицы. Подобные молекулярнодисперсные растворы по-
кажутся нам поэтому совершенно прозрачными и ясными: они будут опти-
чески пустыми. В этих случаях разделение вещества либо дошло до отдель-
ных молекул (например, в водном растворе сахара), либо разделение по-
шло еще дальше — до ионов (например, в растворах солей, кислот и
оснований).
Между этими двумя большими группами находятся системы с величи-
ной частиц от 100 жр. до 1 мр — коллоиды.
Грубые дисперсии Коллоиды | Молекулярные диспер- | соиды
> 100 мр Например, песок в воде 100 ми — 1,0 Atfi Например, белковые вещества < 1 М!Л Например, раствор сахара
Повышение степени дисперсности—понижение величины частиц
Во всяком случае, необходимо сразу же заметить, что это подразде-
ление не следует считать очень твердо установившимся. Все системы, в ко-
торых частицы немного больше 100 жрс, нет необходимости непременно
причислять к грубодисперсным системам. Более правильно будет представ-
Рис. 172.Зависимость твердости вещества
от величины частиц (на примере графита).
Рис. 173. Коллоидные частицы
линейные (вверху) и сферические
(внизу).
лятьсебе непрерывный переход от грубодисперсных систем через коллоиды
к молекулярным дисперсоидам, а приведенные выше цифры рассматривать
лишь в качестве ориентировочных границ.
Сказанное станет еще более ясным, если мы представим себе форму
коллоидных частиц. Приведенные выше цифровые данные относительно
379
размеров частиц имеют смысл лишь в том случае, если мы будем представ-
лять себе частицы шарообразными или имеющими форму кубов. В этих
случаях мы могли бы вместе с Штаудингером говорить о сферо-
коллоидах. Однако существуют также и растянутые, нитевидные, так на-
зываемые линейные коллоиды, для которых указание, например, на их ди-
аметр 0,5 — бессмысленно. В этом случае более целесообразным будет
классифицировать дисперсные системы не по диаметру их частиц, а по
числу атомов, из которых такая частица состоит. При этом вопрос о том,
каким образом эти атомы слагаются для построения коллоидной частицы,
уже не будет иметь существенного значения. Если одно образование со-
ставилось более чем из 109 атомов, то мы будем говорить о грубодисперс-
ной системе; частицы с числом атомов от 1 до 103 относятся к области истин-
ных растворов. Все, что находится между этими пределами, т. е. частицы
с числом атомов от 103 до 109, попадает в область коллоидных растворов.
Однако и здесь мы примем за правило, что эти числовые данные служат
лишь ориентировочными пунктами, но никогда не могут считаться строго
определенными границами.
До сих пор мы молчаливо принимали, что в коллоидных растворах
растворителем или дисперсионной средой была вода, а дисперсная фаза
системы, т. е. наши коллоидные частички, образованы из веществ, отно-
сящихся к твердому агрегатному состоянию. Правда, часто это так и бы-
вает, однако не всегда дело должно обстоять именно таким образом. Как
дисперсионная среда, так и дисперсная часть системы могут находиться
в любом агрегатном состоянии, причем путем комбинации каждых двух
агрегатных состояний мы можем получить восемь мыслимых систем, сопо-
ставленных в помещенной ниже таблице.
Дисперсионная среда
Дисперсные частицы
Образующаяся система
Газообразная
Газообразная
Жидкая
Жидкая
Жидкая
Твердая
Твердая
Твердая
Жидкие
Твердые
Газообразные
Жидкие
Твердые
Газообразные
Жидкие
Твердые
Туман
Дым
Пена
Эмульсия
Суспензия
Твердая пена
Твердая эмульсия
Сплав, стекло
Прежде чем познакомиться с получением, разделением и со свойст-
вами различных коллоидов, сопоставим в виде таблицы различные дисперс-
ные системы. При этом мы уже заранее воспользуемся некоторыми поня-
тиями, смысл которых нам станет ясен лишь позднее.
380
Грубые дисперсии Коллоиды Молекулярные дисперсии
По мере понижения величины частиц степень дисперсности повышается
Величина частиц 100 мр. Величина частиц 100 — 1 ма Величина частиц 1 Мр.
Частицы образованы из более 109 атомов Частицы образованы самое большее из 109 атомов или по меньшей мере из 103 атомов Частицы содержат от 103 до 1 атома
Частицы видимы в ми- кроскоп Частицы иногда могут быть замечены через ультрамикро- скоп; они видимы через элект- ронный микроскоп Частицы невидимы даже через электронный микро- скоп
Частицы не пропуска- ются бумажным фильт- ром Частицы проходят через бу- мажный фильтр, но задержи- ваются ультрафильтром Частицы проходят как через бумажный фильтр, так и через ультрафильтр
Частицы неспособны подвергаться диализу и диффундировать Частицы с трудом могут быть разделены диализом и плохо диффундируют Частицы подвергаются диализу и диффундируют
Частицы быстро осе- дают Частицы не оседают или оседают очень медленно Частицы не оседают
Каким же образом мы можем получить коллоидные частицы? По су-
ществу коллоидальное состояние какого-нибудь вещества не представляет
собой ничего необыкновенного. Все вещества могут находиться в коллоид-
ном состоянии. Ввиду того, что коллоидное состояние характеризуется
величиной частиц, средней между величиной частиц грубых дисперсий и
величиной молекулярнодисперсных частиц, мы можем получить колло-
Г рубая
дисперсия
Рис. 174. Получение коллоидов дисперсным путем и путем конденсации.
©
чэ
коллоиды
Конденса-
ция
Молекулярная
дисперсия
иды либо путем измельчения грубых частиц (в таких случаях мы говорим
о диспергировании), либо путем соединения более мелких частиц — моле-
кул или атомов с образованием более крупных частиц. Этот процесс обыч-
но называют конденсацией частиц.
Остановимся кратко на возможных путях диспергирования. В неко-
торых случаях, особенно когда мы имеем дело с получением твердых
381
коллоидов, необходимое измельчение может быть достигнуто механиче-
ским путем. Если вещество отличается хрупкостью, то уже перетиранием
в ступке можно довести вещество до коллоидного состояния; однако на-
дежнее это может быть достигнуто при помощи коллоидальной мельницы,
О конструкции такой мельницы можно себе составить представление
по рисунку 17?к В узком кожухе с значительной скоростью (около 9000
оборотов в минуту) вращается крест а, в который ударяются частицы. Этот
крест отбрасывает поступающие сверху уже и без того весьма мелкие час-
тицы с громадной силой на подвижное препятствие Ь. В результате этих
ударов частицы раздробляются. Разумеется, образующиеся при этом час-
Рис. 176. Получение коллоид-
ных растворов путем элек-
трического распыления.
тицы не отличаются каким-либо определенным порядком величины; в вы-
текающей жидкости содержатся частицы, характеризующиеся всеми воз-
можными величинами. Благодаря этому в большинстве случаев необходимо
произвести их разделение на частицы разных величин.
Вторая возможность раздробления частиц заключается в том, что для
этой цели используется электрическая энергия. В особенности металлы
очень легко способны переходить в коллоидное состояние путем электри-
ческого распыления. Для этого обыкновенно оба электрода изготовляют
из соответствующего металла и вызывают, применив значительное напря-
жение, образование под водой электрической дуги, которая отрывает
отэлектродов мельчайшие частицы металла. По прошествии короткого вре-
мени вода оказывается окрашенной коллоидным металлом в темный цвет.
За последние годы для получения коллоидных веществ с успехом
применяют также ультразвук. Ведь ультразвук состоит из энергетически
очень интенсивных звуковых колебаний, которые способны разделять
частицы.
Довольно о методах диспергирования! Еще более важными являются
методы, позволяющие получать частицы величиной порядка коллоидных
путем конденсации. Этот результат может быть достигнут прежде всего
382
путем понижения растворимости. При этом в качестве исходного материала
пользуются истинным раствором вещества. Возьмем для примера спирто-
вой раствор смолы: при прибавлении к этому прозрачному раствору зна-
чительного количества воды очень скоро образуется беловатый коллоид-
ный раствор соответствующей смолы. Путем добавления воды раствори-
мость смолы снижается, и поэтому образуются частицы, имеющие величину
коллоидных частиц.
Еще чаще встречаются случаи, когда путем проведения химической
реакции сразу получают в результате этой реакции коллоидные частицы.
Принцип этого метода заключается в том, что исходят из истинных рас-
творов и содержащееся в растворе вещество переводят путем той или иной
реакции в другое вещество, которое во взятой дисперсионной среде уже не
является более молекулярнорастворимым и должно вследствие этого ока-
заться в состоянии коллоидных частиц.
Возьмем для примера получение
коллоидной серы, которая образуется
при пропускании двуокиси серы в раз-
бавленный водный раствор сероводо-
рода. При этом протекает реакция,
Рис. 177. Прохождение коллоидных
частиц через бумажный фильтр.
соответствующая приведенному ниже
уравнению:
SO2+2H2S— 3S+2H2O.
Как сероводород, так и двуокись
серы хорошо растворимы в воде, чего
нельзя сказать об образующейся при их
взаимодействии сере, которая при соблю-
дении определенных условий и выде-
ляется в виде коллоидной серы.
Независимо оттого, каким методом были получены частицы коллоидов,
они никогда не бывают одинаковыми по величине; в растворе всегда нахо-
дится смесь разных частиц, начиная от грубых до самых мельчайших. Каким
же путем возможно изолировать коллоиды из этой мешанины? Каким обра-
зом можно отделить коллоиды от более крупных и от мельчайших частиц?
Легче всего было бы назвать для осуществления этой задачи метод
отсеивания. Разумеется, наши сита не должны иметь такие крупные поры,
какие, например, имеет кофейное сито. Возьмем лучше бумажные фильт-
ры, которые образованы сетью, сплетенной из хлопчатобумажных воло-
кон. Такие фильтры могут быть изготовлены с различной средней величи-
ной диаметров имеющихся в них отверстий. У наиболее твердых фильтров
диаметр пор снижается вплоть до 0,8 у.. Все частицы, имеющие диаметр,
больший чем 0,8 р., уже не смогут проходить через отверстия такого фильт-
ра и останутся на фильтре: это и будут главным образом частицы наших
грубых дисперсий. Через фильтр будут проходить, следовательно, колло-
иды и молекулярнодисперсные частицы. Но как отделить друг от друга
обе эти категории частиц? Очень просто. Для этого необходимо только при-
383
Лавление
воздуха
Рис. 178. Схема ультрафильтрационной установки.
менять еще более мелкопористые фильтры таким образом, чтобы, наконец,
коллоиды уже не могли проникать через столь мелкие поры и чтобы через
них могли проходить одни только частицы истинных растворов. С бумаж-
ными фильтрами достигнуть таких результатов невозможно, однако тон-
кие пленки из коллодия или целлофана, так называемые ультрафильтры,
характеризуются тем, что их поры отличаются достаточно мелкими диа-
метрами для осуществления этой цели. Если мы выльем на такие фильтры
предварительно освобожденный от более грубых частиц раствор, то пленка
задержит теперь уже и коллоидные частицы, которые останутся на плен-
ке, и через фильтр пройдут уже только молекулярнодисперсные частицы.
Разумеется, в этом случае процесс фильтрования будет идти значительно
более продолжительное время, ибо частицы теперь должны быть протис-
нуты через чрезвычайно
узкие поры; даже чистая
вода требует некоторого
времени для прохождения
через такой фильтр. По
этой причине часто при-
бегают к помощи внешней
силы. Ультрафильтр не-
подвижно устанавливают
на плоском сите фарфоро-
вого фильтровального при-
бора, и этот прибор при-
соединяют к склянке для
отсасывания. При помощи
воздушного насоса из
склянки для отсасывания
откачивают воздух, так
что после этого сверху
на жидкость будет давить
столб воздуха и значи-
тельно быстрее продавли-
вать эту жидкость через
фильтр. Применяя фильт-
ры с переменными и из-
вестными нам диаметрами
пор, мы сумеем до некото-
рой степени сделать заключение относительно величины прошедших
частиц и таким образом осуществить разделение частиц разной величины.
Правда, мы и в этом случае не можем ожидать уже очень точных резуль-
татов. Во-первых, невозможно изготовить фильтры с вполне одинаковы-
ми по диаметру порами, почему мы в таких случаях должны указывать
лишь приблизительный, средний диаметр пор. Затем мы должны также
учитывать, что наши дисперсные частицы не являются шарообразными,
но могут иметь и продолговатую форму. Если такие частицы ориентиру-
384
ются по отношению к порам фильтра в поперечном направлении, то они
не пройдут через отверстия, в то время как это отверстие с легкостью
пропустило бы такую частицу при ее продольном расположении.
Такая ультрафильтрация может быть с успехом применена в тех
случаях, когда речь идет о том, чтобы очистить истинный раствор от при-
мешанных к нему коллоидов. Все, что пройдет через мембранный фильтр,
состоит из молекулярнодисперсных частиц и из растворителя, между
тем как коллоиды останутся на фильтре и могут быть отделены вместе с
фильтром от фильтрата. Однако ультрафильтрация может оказаться
связанной с некоторыми затруднениями
в тех случаях, когда желательным
является получение коллоидов, не за-
грязненных примесью молекулярно-
дисперсных частиц. Правда, такое раз-
деление может быть достигнуто, но
интересующие нас коллоидные частицы
будут в таком случае находиться на
фильтре и иногда лишь с трудом смо-
гут быть удалены с фильтра, в особен-
ности если речь идет о незначительном
количестве коллоидов.
В таких случаях лучше прибегнуть
к диализу, который является старейшим
методом отделения коллоидов, описан-
Рис. 179. Прохождение коллоидных
частиц через фильтр.
ным еще Грэмом. Для того чтобы
сказанное стало понятным, сделаем небольшой экскурс в область истории
этого вопроса.
Как уже было установлено ботаником Броуном в 1827 году, ма-
лые частицы, как например табачный дым, зерна растительной пыльцы
и т. д., находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения,
причем это движение становится все более и более интенсивным в зависи-
мости от повышения тем-
пературы и от понижения
размеров частиц. Это дви-
жение становится уже не-
заметным, когда диаметр
частицы становится рав-
ным приблизительно 5 р..
Это так называемое броу-
новское движение можно
наблюдать в продолжение
целых месяцев, и оно яв-
ляется совершенно незави-
симым от внешних усло-
сосудах. Объяснением этого
Рис. 180. Принцип диализа (схема).
вий, ибо оно протекает
также и в замкнутых
движения является следующее: с молекулами растворителя связано
25 3. Шпаусус
385
в зависимости от температуры определенное количество энергии, ко-
торая проявляется в виде энергии движения и присутствие которой
мы ощущаем в виде теплоты. На протяжении беспорядочного движения
одна частица сталкивается с другой и при этом она переносит часть
энергии на ту молекулу, с которой она столкнулась; в свою очередь
первая молекула приобретает от второй также некоторое определенное
количество энергии. Таким путем осуществляется непрерывный обмен
энергией между молекулами. Подобно тому, как мы это наблюдаем
при игре в биллиард, при всяком столкновении частица отклоняется
от своего пути. Эту энергию движущиеся молекулы переносят также
и на посторонние тела, присутствующие в жидкости, а следовательно,
и на коллоидные частицы или на частицы еще более крупного размера.
Если частица велика, например если диаметр ее больше 5 р., то толчки,
испытываемые ею, очень многочисленны, и она их претерпевает со всех сто-
рон; благодаря этому действие толчков с разных сторон взаимно уравнове-
шивается, и мы не будем совсем наблюдать движения такой большой ча-
стицы. Иначе будет обстоять дело с частицами очень малого диаметра, на-
пример с коллоидными частицами. В этом случае будет более вероятным, что
частица получит толчок только с одной стороны, благодаря чему она долж-
на будет передвигаться в направлении, противоположном толчку, до тех
пор, пока она не получит нового толчка, под влиянием которого она сно-
ва изменит свое направление и скорость.
Следствием этого движения молекул будет то, что они смогут двигать-
ся также и в направлении, противоположном направлению силы тяже-
сти, и что при этом могут смешиваться растворы различных концентраций.
Если мы поместим на дно цилиндра кристалл синего медного купороса и
нальем поверх этого кристалла воду, то эта первоначально бесцветная вода
при спокойном стоянии стакана через несколько недель окрасится в си-
ний цвет в результате растворения медного купороса и в результате того,
что частицы растворившейся соли проникнут также и по направлению
кверху. Подобное движение частиц называется диффузией. Значительно
меньшие по размеру и еще более подвижные молекулы и ионы обнаружи-
вают значительно большую скорость диффузии по сравнению с более круп-
ными частицами коллоидов, для которых процесс диффузии является
почти незаметным.
Следующий опыт очень убедительно показывает упомянутое разли-
чие. Однако с водой провести этот опыт удается лишь с трудом вследствие
того, что в этом случае он протекает в течение столь продолжительного
времени, что легкоподвижная жидкость может за это время испытать
частые толчки и в результате этого, естественно, может наступить переме-
шивание, а следовательно, и нарушение диффузионного процесса. Поэтому
лучше пользоваться для проведения этого опыта коллоидальным раствором
желатины, который еще в горячем состоянии наливают в две пробирки.
После охлаждения раствор желатины застудневает и на него можно нали-
вать в разных пробирках различные слои окрашенных истинных растворов
и окрашенных коллоидных растворов. Через несколько дней мы увидим,
386
что частицы истинного раствора продиффундируют внутрь желатины, в то
время как для коллоидного раствора почти совсем невозможно будет уста-
новить наличие диффузии.
После сказанного легко понять сущность процесса диализа, при кото-
ром удается использовать неодинаковые скорости диффузии коллоидных
и молекулярнодисперсных частиц для разделения частиц неодинакового*
диаметра. В наиболее простом случае жидкость, подлежащую разделению,
наливают в целлофановую и коллодионную гильзу и подвешивают такую
гильзу в чистой воде.Более легкоподвижные молекулы и ионы истинного
раствора скоро достигнут стенки гильзы и продиффундируют также
насквозь и через эту стенку. Так будет происходить до тех пор, пока кон-
центрация частиц находящегося в гильзе истинного раствора не будет
больше, чем концентрация тех же частиц, находящихся в жидкости за пре-
делами гильзы. Когда концентрации внутри гильзы и за ее пределами ста-
нут одинаковыми, то в единицу времени такое же число молекул и ионов
будет диффундировать во внешнее пространство, какое, наоборот, из
внешнего пространства будет проникать в гильзу. Другими словами, в
этом случае установится состояние равновесия.
Чтобы добиться быстрого диализа, необходимо все время обеспечивать
возможно большую разницу концентраций между внешним и внутренним
растворами. Этого удается лучше всего достигнуть тем, что молекулы, вы-
шедшие благодаря диффузии наружу, будут тотчас же удаляться путем
непрерывной смены воды во внешнем сосуде. При этих условиях через
более или менее продолжительное время все молекулярнорастворенные
частицы уйдут благодаря диффузии из гильзы диализатора, и в ней оста-
нутся после этого только чистые коллоиды.
Тем не менее диализ сопряжен с большим недостатком: он продолжа-
ется слишком долго, ибо приходится рассчитывать исключительно на
броуновское движение. По этой причине охотнее прибегают к методам,
при которых оказывается возможным в существенной степени ускорить
процесс. Таким методом прежде всего является электродиализ. Как из-
вестно, соли, кислоты и основания в водном растворе расщепляются на
электрически заряженные частицы — ионы, причем катионами назы-
вают частицы, заряженные положительно, а анионами — отрицательно
заряженные ионы. Если к обоим концам диализатора мы приложим элек-
троды постоянного тока, то под их влиянием отрицательные анионы на-
правятся к положительному электроду, а положительно заряженные ионы
направятся к отрицательному полюсу. Благодаря этим электрическим си-
лам, действующим извне, диализ испытывает значительное ускорение.
Правда, электродиализ возможно применять только в тех случаях, когда
из раствора коллоида приходится удалять ионы. Если же в этом растворе
присутствуют электрически нейтральные молекулы, например молекулы
раствора сахара, влияние приложенного к полюсам электрического напря-
жения будет равно нулю.
Каким образом мы распознаем, что данный раствор является коллоид-
ным раствором? Не всегда такой раствор обязательно должен быть мутным
25*
и непрозрачным, он может быть и прозрачным. Если раствор является ок-
рашенным, то этот вопрос мы иногда можем разрешить путем ультра-
фильтрации. Если фильтрат окажется после фильтрования бесцветным,
то в растворе находились окрашенные коллоиды, которые остались при
фильтровании на мембранном фильтре. При бесцветных растворах, одна-
ко, мы не можем решить этого вопроса даже и методом ультрафильтрации.
В этом случае нам может помочь наблюдение, которое многим из нас зна-
комо по другому примеру и которое обозначается термином эффекта Тин-
даля. Для того чтобы наблюдать этот эффект, достаточно усесться в темном
помещении в стороне от проходящего через это помещение пучка света,
как это, например, иногда наблюдается в зале кино.
От того места в стене, откуда в затемненный зал выходит пучок света
проекционного аппарата, и вплоть до экрана мы замечаем прямолинейный
Рис. 181. Эффект Тиндаля в кино.
пучок света в виде множества блестящих точек. Собственно говоря, мы во-
все не должны были бы замечать пучка света, ибо он распространяется пря-
молинейно через помещение и вообще не попадает в наши глаза. Однако
вследствие того, что в помещении присутствует множество пылинок, кото-
рые невидимы для нашего невооруженного глаза, на эти пылинки попадает
пучок света, причем лучи света испытывают дифракцию и после этого иног-
да попадают прямо в наш глаз. В таких случаях наш глаз регистрирует
искру света. Ввиду того что это явление повторяется в секунду многие
сотни раз, мы наблюдаем вдоль по пути светового пучка как бы луч света,
который образован небольшими короткими световыми искорками, причем
отчетливость светового пучка оказывается пропорциональной содержанию
пыли в воздухе. Еще одно обстоятельство мы должны подчеркнуть с осо-
бым вниманием: мы при этом не видим непосредственно находящиеся в
воздухе пылинки, но в наш глаз попадает лишь претерпевший дифрак-
цию луч света, притом точно от того пункта, в котором находилась
частичка пыли. Таким образом, мы можем только констатировать присут-
888
ствие зернышка пыли в данном месте пространства, а не то чтобы действи-
тельно видели очертания этого зернышка.
Чтобы применить этот принцип к коллоидным и истинным растворам,
попробуем провести небольшой опыт. Наполним одну пробирку прозрач-
ным и чистым раствором поваренной соли, а вторую пробирку прозрачным
и чистым коллоидным раствором и подержим обе пробирки на пути пучка,
распространяющегося от точечного источника света.Если раствор поварен-
ной соли был абсолютно чист и не загрязнен присутствием пыли или тому
подобных включений, то мы ничего не сумеем заметить в пробирке: луч
света не будет заметен в жидкости, ибо такая жидкость представляет со-
бой в качестве истинного раствора оптически пустую среду. Совершенно
иначе, однако, будет обстоять дело в коллоиднодисперсном растворе. Здесь
некоторые места в жидкости, на которые будут попадать лучи света, будут
ярко вспыхивать, ибо от коллоидных частиц будет отражаться очень много
лучей света, которые будут после этого попадать в наш глаз.
Рис. 182. Путь лучей в ультрамикроскопе.
Этот принцип Жигмонди и Зидентопф применили в их
ультрамикроскопе. От источника света распространяется свет через линзу
1 и после щели через линзу 2, через объектив и дальше через небольшую
кювету, в которой находится коллоидный раствор. Там, где лучи света
ударяют в коллоидные частицы, они претерпевают дифракцию и частью
попадают в микроскоп, который увеличивает мелкую световую искру и де-
лает ее видимой. Благодаря этому не только становится возможным решить,
имеем ли мы дело с коллоидным раствором, но иногда путем подсчета
дифракционных кружочков в определенном объеме раствора даже опреде-
лить и величину частиц.
При помощи ультрамикроскопа нам удается только регистрировать
присутствие коллоидов, но не удается непосредственно установить вели-
чину и тем более очертания частицы. Однако это становится вполне воз-
можным осуществить при помощи электронного микроскопа, отличаю-
щегося весьма сильной разрешающей способностью. В противоположность
световому микроскопу в этом случае, как это понятно уже из самого на-
звания прибора, можно использовать значительно более коротковолновые
электронные лучи, которые обусловливают значительно большую раз-
389
решающую способность. Именно по этому методу и удалось проникнуть
весьма глубоко в мир коллоидов и высказать точные данные относительно
очертаний и величины самых разнообразных коллоидов.
Особенно много труда было затрачено на разработку таких методов,
которые допускают определение величины частиц, а следовательно,
и молекулярного веса соответст-
вующего коллоида. Для этой цели
может послужить, во-первых,
фильтрование. Однако при этом
должна быть известна величина
пор примененного ультрафильтра,
что зачастую наталкивается на
трудности, ибо обыкновенно име-
ется возможность определить лишь
среднюю величину диаметра пор.
Другая возможность заключается
в использовании ультрамикроско-
пии. Ввиду того что при этом
сами частицы остаются невидимы-
ми и только удается обнаружить
их дифракционные кружочки, мы,
следовательно, не можем световые
пятна приравнять величине час-
тиц. Вместо этого приходится под-
считывать частицы в определенном
объеме коллоидного раствора и
путем соответствующего умноже-
ния делать заключение относи-
тельно числа частичек в 1 куб, см.
Если мы, кроме того, будем знать
еще удельный вес и общий вес
содержащегося в 1 куб. см колло-
идно раздробленного вещества, то
легко можно будет вычислить и
объем отдельной частицы.
Существенное значение имеет
ультрацентрифуга Сведберга,
которая позволяет с большой
достоверностью определять ве-
личину и молекулярный вес не
только коллоидов, но и моле-
Рис. 182а. Электронный микроскоп. кул яр норастворэнных веществ.
При центрифугировании приме-
няют не только седиментационный принцип. Как известно, более круп-
ные частицы погружаются в воду на дно быстрее, чем более мелкие частицы.
Мы можем в этом убедиться на примере речной воды, в которой мелкораз-
390
дробленный ил очень долго остается во взвешенном состоянии и уносится
на очень далекие расстояния, в то время как более крупные камешки
тотчас же погружаются на дно. При желании распространить эти явления
осаждения на коллоидные частицы мы должны были бы прождать очень
длительное время, так как скорость седиментации таких частиц весьма
незначительна и при очень малых величинах частиц броуновское
молекулярное движение затрудняет равномерное осаждение частиц.
Однако мы смогли бы достигнуть цели, если бы заставили действовать
на эти частицы не только силу земного тяготения, но и значительно более
интенсивные силы, которые могли бы ускорить движение. Эту дополни-
тельную силу могла бы представлять собой центробежная сила, появляю-
щаяся всегда в тех случаях, когда происходит движение по окружности.
Величина центробежной силы, направленная во внешние стороны от
центра кругового движения, возрастает как по мере повышения скорости
движения, так и по мере увеличения веса движущегося по окруж-
ности тела. Эти явления может наблюдать каждый на народных гуляньях,
когда он садится на так называемое «чертово колесо». При медленном
вращении колеса каждый еще может удержаться на нем. Однако чем
быстрее происходит вращение, тем в большей степени возрастает и
центробежная сила, направленная от центра в наружную сторону,
и один за другим с колеса вываливаются находящиеся на нем лица, причем
более тяжелые соскальзывают с колеса раньше тех, которые обладают
меньшим весом. В некотором отношении при помощи такого колеса можно
было бы оценивать и вес лиц, катающихся на нем. Так дело обстоит и при
центрифуге и в особенности при ультрацентрифуге, которая в результате
ее громадного числа оборотов, достигающего 150 000 оборотов в минуту,
обусловливает действие на частицы таких сил, которые приблизительно
в миллион раз превосходят силу земного притяжения. При определенной
скорости центрифуги скорость погружения частиц представляет собой меру
ее веса и позволяет при известном нам удельном весе делать заключения
также и относительно объема таких частиц.
Дальнейшие методы определения величины частиц основаны на изме-
рении вязкости, на измерении скорости диффузии, на определении пони-
жения точки замерзания и повышения точки кипения и т. д., причем
от случая к случаю можно подобрать наиболее подходящую методику.
Остается разъяснить еще один вопрос: как это возможно, что кол-
лоидный раствор (который обозначают также термином «золь») иногда
обнаруживает столь значительную устойчивость? Известны растворы,
которые на протяжении многих десятилетий сохраняют свой первона-
чальный вид.
Ввиду того что тела обнаруживают способность взаимно притяги-
ваться, можно было бы предполагать, что этот закон следует распро-
странить также и на коллоиды. При броуновском движении коллоидные
частицы приближаются друг к другу, при этом могут объединяться
в более крупные образования и, наконец, превращаться в частицы, отно-
сящиеся к категории грубодисперсных систем, после чего они вскоре
391
оседают на дно сосуда. Так и происходит во многих случаях. Однако
ввиду того что иногда происходит и противоположное явление, следует
считать, что в таких случаях проявляют свое действие и те силы, которые
направлены противоположно по отношению к силам взаимного притя-
жения.
В качестве таких сил в первую очередь были установлены силы, обус-
ловленные электрическими зарядами коллоидных частиц. Действительно,
если мы создадим в золе постоянное электрическое напряжение, то мы смо-
жем наблюдать движение коллоидных частиц в электрическом силовом по-
ле. Впервые такое движение было установлено в 1807 году Рейссом.
Это движение может быть объяснено только при допущении, что кол-
лоидные частицы несут электрические заряды, которые при замыкании тока
будут двигаться по направлению к электродам, заряженным противопо-
ложным электричеством.
Подобное явление можно наблюдать и для ионов. Это явление, которое
в истинных растворах носит название электролиза, для коллоидных частиц
обозначают термином электрофореза или катафореза.
Ввиду того что коллоидные частицы золя несут одноименные заряды,
они взаимно отталкиваются друг от друга и, таким образом, препятствуют
взаимному соединению частиц и выпадению их в виде хлопьев. Чтобы при-
вести хоть немногие примеры подобного рода явлений, укажем хотя бы на
коллоидную гидроокись алюминия, частицы которой заряжены положи-
тельно, а также на коллоидные растворы кремниевой кислоты и гумми-
арабика, в которых частицы несут отрицательные заряды.
Каким же образом возможно объяснить наличие этих зарядов на кол-
лоидных частицах? Для этого, во-первых, можно допустить, что в таких
случаях наступает хотя бы частичная диссоциация молекул, из которых
построены коллоидные частицы. Мы должны себе представить, что коллоид-
ная частица гидроокиси алюминия состоит из весьма значительного числа
молекул гидроокиси алюминия. Правда, гидроокись алюминия почти со-
вершенно нерастворима и поэтому не подвергается диссоциации, однако в
самой ничтожной степени в водной среде все же наступает ее диссоциация,
пусть хотя бы только частичная, например такая, какая соответствует
уравнению
А1(ОН)3 -* А1(ОН)2+4-ОН-
Если образовавшиеся при этом свободные гидроксильные ионы будут
тем или другим методом удаляться из равновесия, например путем доба-
вления водородных ионов, способных соединяться с гидроксильными ио-
нами с образованием молекул недиссоциированной воды по уравнению
Н+ + ОН- —>Н2О, то на поверхности коллоидной частицы мы обнаружим
присутствие целого ряда оставшихся положительно заряженных групп
А1(ОН)+2, А1(ОН)++ или даже А1+++, которые будут заряжать кол-
лоидные частицы гидроокиси алюминия, сообщая им одноименный поло-
жительный заряд. Таким образом они будут предотвращать их взаимные
столкновения и объединения с образованием более крупных частиц. Ана-
392
логичные явления будут наблюдаться и с кремниевой кислотой, с той лишь
разницей, что в этом случае коллоидная частица будет подвергаться дис-
социации с образованием остающегося иона кислотного остатка, который
и будет заряжать ее отрицательно.
Однако это объяснение, основанное на диссоциации составных частей
коллоидного раствора, не всегда может быть применено, ибо существуют
и такие молекулы, для которых ионный распад исключается или которые
состоят из атомов только одного вида, как это например имеет место в
коллоидных растворах метал-
лов. В этих случаях прихо-
дится допускать, что на по-
верхности коллоидных частиц
происходит адсорбция дру-
гих ионов.
Мы ведь уже знаем, что
коллоидные частицы харак-
теризуются очень значитель-
ной поверхностью, и поэто-
му для них характерно про-
явление многих дополнитель-
ных сил, остаточных валент-
ностей, которые все концент-
Qai**+ фон’
Рис. 183. Образование положительно заряженной
коллоидной частицы благодаря частичной диссоци-
ации.
рированы в углах и гранях
кристаллов. Те ионы, которые оказываются адсорбированными в этих
местах, также обусловливают благодаря своим зарядам присутствие на
коллоидных частицах зарядов. Если при образовании коллоидных частиц
имелся налицо избыток положительных ионов, то преимущественно эти
ионы и присоединяются к коллоидным частицам и сообщают последним
положительный заряд, как это и можно подтвердить экспериментально.
Если бы нам удалось
лишить эти коллоидные
частицы их положитель-
ных зарядов, то исчезла
бы и их отталкивающая
сила: такие частицы под-
вергнутся в этом случае
коагуляции, или, что тоже
самое, они выпадут в виде
хлопьев. Поэтому, если мы
к отрицательно заряжен-
ным коллоидам добавим
Рис. 184. Образование положительного заряда
благодаря адсорбции катионов.
заряженные противополо-
жными зарядами ионы, т. е. катионы, то в большинстве случаев наступит
выпадение золя в виде хлопьев — его коагуляция. Очень важное прояв-
ление этого действия электролитов на коллоидные частицы встречается
и в природе при образовании дельт рек, впадающих в моря. В речной
393
воде распределено громадное число коллоидных частиц почвы. Коллоид-
ная устойчивость этих частиц обусловливается одинаковыми зарядами,
которые они несут на себе. Если речная вода, в которой содержится
лишь незначительное количество электролитов, придет в устье реки
и войдет в соприкосновение с более богатой по содержанию солей мор-
ской водой, то коллоидные частицы претерпят коагуляцию, выпадут
в осадок и послужат материалом для образования речной дельты.
Наша классификация коллоидов все же не является вполне
исчерпывающей. Мы должны еще установить различие между гидрофиль-
ными, («водолюбивыми», склонными к присоединению к ним воды) и гидро-
Разрядка гидрофильных Дегидратация гидро-
коллоидов фильных коллоидов
Рис. 185. Разрядка гидрофильного заряженного коллоида.
фобными («ненавидящими воду», избегающими присоединения к ним воды)
коллоидами. Таким путем мы найдем и другой ответ на поставленный нами
вопрос, почему не все коллоидные растворы способны быстро претерпевать
коагуляцию. Гидрофильными коллоидами называются такие, которые
склонны облекаться слоем дисперсионной среды, в большинстве случаев
воды. Такое свойство обусловливается сродством к воде некоторых имею-
щихся в коллоидных частицах групп атомов. Благодаря образованию этого
водного слоя или, как обыкновенно выражаются, благодаря сольватации
(для воды — гидратации) коллоидная частица как бы приобретает защит-
ное средство, ограждающее ее от соединения с другими коллоидными ча-
стицами и от последующего выпадения в осадок в виде хлопьев (от коагу-
ляции).
Иначе обстоит дело с гидрофобными коллоидами. Они обнаруживают
«отчужденность» по отношению к воде и, не располагая защитной пленкой
воды, будут осуждены на коагуляцию,на выпадение в виде хлопьев в том
случае, когда они не имеют одноименных электрических зарядов или утра-
тят таковые.
Таким образом, сольватизированные гидрофильные и в то же время
электрически заряженные коллоидные частицы являются вдвойне защи-
щенными от коагуляции. Если все же требуется добиться такой коагуля-
ции, то для этого необходимыми являются, во-первых,разрядка коллоид-
ных частиц и, во-вторых, их дегидратация, т. е. отнятие от них облегаю-
щего их слоя воды.
394
Рис. 186. Коллоидная частица
(в середине), окруженная за-
щитными коллоидами.
Желатина в некоторой степени растворима в горячей воде; при этом
она образует коллоидный раствор. Если мы охладим золь, то он застынет
с образованием полутвердой массы, которую мы можем рассматривать как
бы в виде перехода между твердым и жидким агрегатным состоянием. Та-
кую массу называют гелем (желем) или студнем. Такой гель может быть
получен не только путем понижения растворимости, но и путем отнятия
дисперсионной среды, или, наоборот, он может быть получен из твердого
коллоида путем впитывания воды благодаря набуханию.
В то время как гели гидрофильных коллоидов снова могут при добав-
лении дисперсионной среды обратно переходить в первоначальные гели
(втаких случаях обыкновенно говорят об обра-
тимом геле), для гидрофобных коллоидов
соответствующий процесс является невозмож-
ным, почему подобные гели и называют не-
обратимыми.
Мы можем описываемые явления срав-
нить с предположением, что гидрофобные
коллоиды как бы «боятся» воды, как бы
«радуются» тому, что они могут в виде геля
избавиться от ненавистной для них, в боль-
шей своей части свободной воды и что они
совсем не обнаруживают охоты снова перейти
без сопротивления в коллоидный раствор,
т. е. снова перейти в тесное соприкоснове-
ние с водой.
Как видим, гидрофобные коллоиды
склонны легко переходить в хлопьевидный
осадок, они легко коагулируют. При желании избежать их коагуляции
можно окружить гидрофобные коллоидные частицы такими частицами,
которые, наоборот, охотнее остаются в растворенном состоянии, т. е.
окружить их гидрофильными коллоидными частицами. В таких случаях
эти последние гидрофильные частицы обозначают как защитные коллоиды.
Какое же значение имеют коллоиды и коллоидная химия?
Во-первых, многие весьма важные технические природные продукты,
как например каучук, клетчатка, крахмал и т. п., представляют собой
коллоиды. Поэтому если мы хотим вполне понять их особенности, то для
нас совершенно необходимым станет изучение применения к ним коллоид-
но-химических закономерностей. Мыла образуют коллоидные растворы,
и их моющее действие должно в большинстве случаев рассматриваться в ка-
честве коллоидно-химического процесса. Почва является конгломератом
самых разнообразных коллоидов, и почвовед, как и агроном, поступит пра-
вильно, если в своих исследованиях будет учитывать это обстоятельство.
Мы не должны также забывать и про синтетические пластмассы, ко-
торые приобрели столь громадное техническое значение, как например
буна-каучук, плексиглас, найлон и капрон, а также различные синтетиче-
ские смолы и т. п. Все эти продукты также относятся к обширной области
395
коллоидной химии. Коллоидные продукты и процессы встречаются на пути
химика и в биологии, и в медицине, ибо растительные, животные и челове-
ческие ткани и жидкости, как например протоплазма, кровь, кожа, мыш-
цы ит. п., представляют собой сложные составные коллоидно-химические
системы. Многое удалось изучить уже и в настоящее время, однако еще
большее число вопросов ожидает своего разрешения, после чего эти вопро-
сы в свою очередь сделаются отправными пунктами для дальнейших новых
исследований.
СУЩНОСТЬ ФОТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Фотография, светопись, световая зарисовка! Как указывают сами эти
выражения, при фотографическом процессе мы, несомненно, имеем дело
с химической реакцией, в которой существенную, а может быть, даже ре-
шающую роль играет свет. Каждый, кто когда-либо держал сам в руках
фотоаппарат и производил съемки, знает многое относительно зависимости
между продолжительностью освещения и существующими в каждом отдель-
ном случае соотношениями освещенности; он также знаком с понятиями
«измеритель освещенности», «съемка при искусственном освещении», «пе-
редержка» и т. п. Все эти понятия отражают значительную роль света
для фотографического процесса.
Однако в чем заключается роль света? Нас не удивит, если мы услы-
шим, что его действие обусловливает возникновение химических реакций,
превращений, осуществляемых в веществе. Если на имеющем первоначаль-
но равномерный характер светочувствительном поверхностном слое пла-
стинки или пленки возникает негативное, однако вполне соответствующее
оригиналу изображение человека и пейзажа, то это свидетельствует, конеч-
но, о том, что в одном или нескольких веществах, присутствующих в слое,
произошло изменение. Таким образом, мы устанавливаем, что при фотогра-
фировании происходит химический процесс, вызываемый действием света.
Мы имеем дело в этих случаях с одним из специальных явлений фотохимии.
Это явление можно считать имеющим специальный характер потому,
что фотографический процесс является далеко не единственным, при кото-
ром действие света обусловливает возникновение химической реакции.
Нам в настоящее время известно, что почти все вещества, почти каждая
реакция в той или иной степени испытывают воздействие со стороны па-
дающего на эти вещества света. Но в большинстве случаев это воздействие
столь ничтожно, что мы его не можем непосредственно заметить нашими
органами чувств. Однако в некоторых случаях и это оказывается возмож-
ным. Вспомним, например, о явлениях выцветания некоторых красящих
веществ при действии солнечных лучей, вспомним о потемнении кожи на-
шего тела летом («загорание») и, наконец, о реакции соединения хлора с
водородом, протекающей со взрывом (с образованием хлористого водорода)
при интенсивном освещении смеси этих газов;
Н2+С12-*2НС1.
Свет представляет собой, как мы знаем из физики, одну из форм энер-
396
Рис. 187. Льюис Дагерр (1789—1851).
гии, и эта энергия может при облучении накопляться в веществен выде-
ляется обратно, обусловливая, например, при этом течение химических
реакций. Такие явления имеют место при процессе соединения хлора с во-
дородом или при фотографическом процессе. Правда, из названных про-
цессов последний в некоторых отношениях очень существенно отличается от
других упомянутых фото-
химических процессов. Во-
первых, светочувствитель-
ный слой пластинки или
пленки отличается весьма
высокой чувствительно-
стью и реагирует на дейст-
вие кратковременного ос-
вещения, а также на не-
значительные различия в
степени освещения. Кро-
ме того, незначительные и
для нас вообще совершен-
но неуловимые первичные
изменения в слое могут
быть затем усилены при
действии соответствующих
химических реагентов и
таким путем они могут
быть превращены в види-
мое изображение. Нако-
нец, мы имеем возмож-
ность удалить из светочув-
ствительного слоя после
возникновения изображе-
ния оставшиеся еще в нем
непрореагировавшие све-
точ у вств ите л ь н ые веще ст-
ва и на длительное время
зафиксировать возникшие
Таким образом, в светочувствительном слое должны присутствовать
вещества, которые в той или иной степени испытывают влияние со стороны
света и которые изменяются при его действии. Этим требованиям превос-
ходно удовлетворяют соли серебра; в особенности галоидные соединения,
как например хлористое серебро AgCl, бромистое серебро AgBr, йодистое
серебро AgJ, являющиеся в значительной степени светочувствительными.
Каждый, кто когда-нибудь практически занимался опытами по химии,
знает, что первоначально белый осадок хлористого серебра, образующийся
при сливании в общий сосуд раствора азотнокислого серебра и какой-ни-
будь растворимой соли соляной кислоты, согласно реакции
AgNO3+NaCl -> AgCl+NaNO3,
на
пластинке или пленке изображения.
897
уже через относительно короткое время на свету окрашивается в голубо-
ватый цвет и, наконец, принимает темную, почти фиолетовую, окраску.
Если мы еще свежий осадок поместим на полоску бумаги и половину его
защитим от действия света, а другую половину, наоборот, подвергнем дей-
ствию прямых солнечных лучей, то хлористое серебро на второй половине
полоски потемнеет, в то время как на покрытой части полоски оно не под-
вергнется изменению. Нет никакого сомнения, что в описанном случае мы
будем иметь дело с фотохимической реакцией.
Другие серебряные соли, как азотнокислое серебро или углекислое
серебро, проявляют аналогичные свойства. Это было известно уже
издавна. Еще в средние века Анжело Сала установил, что азотно-
кислое серебро на свету окрашивается в черный цвет. Это наблюдал и
Бойль в 1658 году, причем приписал это потемнение действию теплоты.
Весьма значительное влияние на развитие фотографии имели работы
Иоганна Гейнриха Шульца, которому в 1727 году удалось
получить световые изображения. Разумеется, это не были изображения в
современном смысле. Это были просто чертежи, которые ему удавалось при
действии света копировать в качестве теневых изображений. Шульце,
профессор, утвержденный по кафедре анатомии и травматологии, слы-
шал о светящихся каплях, которые после их освещения излучали в тече-
ние некоторого времени свет. Ему также захотелось найти такие капли,
и для этого он встряхивал смеси самых различных веществ. Он обраба-
тывал, например, мелкоистолченный мел с азотнокислым серебром, смо-
ченным азотной кислотой. При этой реакции образовалось углекислое се-
ребро. К его крайнему удивлению, он заметил, что это вещество окраши-
валось на солнечном свете в голубоватый цвет, который становился с те-
чением времени все темнее. «Я проводил эту работу у открытого окна, при
доступе самых ярких лучей солнца. Я удивился тому изменению окраски
на поверхности, которое мне удалось наблюдать, однако еще в большей
степени меня удивило, что та часть чашки, на которую не попадали лучи
солнца, ни в малейшей степени не обнаружила перемены цвета».
Шульце стал изучать это явление и ему удалось, кроме получения
желаемых копий, сделать целый ряд выдающихся открытий. Так, напри-
мер, ему удалось при помощи различных опытов с несомненностью дока-
зать, что не теплота, а именно свет является причиной изменения цвета
вещества. Наконец, он установил, что интенсивность окраски находится
в зависимости как от интенсивности, так и от продолжительности освеще-
ния. Эти открытия были лишь началом. Дальнейшие открытия должны
были последовать в скором времени.
Около 1800 года в этой области начали совместно экспериментировать
Дэви и Веджвуд. Им удалось, между прочим, подтвердить высо-
кую светочувствительность хлористого серебра. На основе результатов
своих исследований они опубликовали «Отчеты относительно метода по-
лучения силуэтов путем действия света на соли серебра». Однако все же
оставалось непреодоленным большое затруднение: изображение можно бы-
ло рассматривать лишь в темноте, ибо на свету начинали темнеть первона-
чально находившиеся в тени незачерненные места. «Такие копии должны
были храниться в темноте. Их можно тщательно рассматривать в темноте,
однако это не должно было продолжаться более нескольких минут. При
свете свечи или обыкновенной масляной лампы эти копии уже претерпе-
вают изменения»,— писали авторы с некоторым разочарованием в своем
отчете.
Независимо от них фо-
тохимическими опытами за-
нимался Ш е е л е. Он тоже
подвергал осадок хлористого
серебра действию солнечного
света и сумел констатировать
потемнение осадка. Когда он
затем добавил к осадку рас-
твор аммиака, неразложивше-
еся еще хлористое серебро
растворилось, между тем как
мелкораздробленное сереб-
ро, имевшее черную окрас-
ку, осталось в осадке. Таким
путем было с несомненностью
доказано, что при действии
света наступает разложение
серебряной соли на серебро
и кислотный остаток, причем
име н н о мел кор аз др об л е н н ое
серебро и обусловливает чер-
ную окраску. По существу
Шееле выполнил таким путем
тот процесс, который мы те-
перь обозначаем термином
«фиксирование». Однако он
Рис. 188. Ничифор Ньепс (1765—1833).
не сумел практически использовать установленные им факты.
Первые устойчивые фотографические изображения удалось получить
Ньепсу и Дагерру. Оба они по воспитанию не были научными
исследователями и поэтому не имели совсем или имели лишь поверхност-
ные знания относительно химических и физических закономерностей. Так
и работали они чисто эмпирически и с громадным терпением произвели
значительное число опытов, которые, наконец, привели их к определен-
ным результатам. Во всяком случае, эти результаты послужили для обос-
нования фотографии в современном смысле этого слова.
Дагерр был театральным декоратором в Париже и владельцем «дио-
рамы» — камеры, при помощи которой он мог проводить интересные бе-
седы со своими зрителями, пользуясь оптическими и другими эффектами,
осуществляемыми на расписанных разными красками полотняных деко-
рациях. При этом ему могла прийти в голову мысль заменить изготовлен-
399
ные им самим картины изображениями, разрисованными самой природой
при помощи света.
Ньепс происходил из зажиточной семьи. Своему брату — человеку,
который в течение своей жизни увлекался самыми необузданными идеями,
он был обязан тем, что вырвался из спокойной жизни рантье и пошел по
пути изобретателя.
Дело началось с лито-
графических камней, секрет
которых стал известен в на-
чале XIX века и которые
давали возможность размно-
жать картины, предваритель-
но перенесенные на камень.
Именно задача этого перенесе-
ния и составляла для Ньепса
наиболее существенную проб-
лему, ибо он не отличался
гр афическими способностя-
ми. Возникал вопрос: нельзя
ли осуществить эту задачу
каким-нибудь другим, особым
способом. Он вспомнил о
светочувствительности хло-
ристого серебра. Нанеся тон-
кий слой этой соли на лист
бумаги, Ньепс попытался
Рис. 188а. Медаль, отлитая в ознаменование при помощи линзы темной
открытия фотографии. камеры сделать снимок. Пер-
вые изображения, как этого
и следовало ожидать, были весьма неказисты, неотчетливы и неустойчи-
вы, ибо при действии света окрашивались в темный цвет также и те
места бумаги, которые первоначально оставались неокрасившимися в тем-
ный цвет. Все же первый успешный шаг был сделан, и он воодушевил
Ньепса на дальнейшее повторение все новых и новых опытов. Ньепс уже
работал не с хлористым серебром, а с светочувствительными смолами,
которые он наносил на камни, на стекло или на металлические пластинки.
Он усовершенствовал технику съемки, и в конце концов ему удалось при
помощи процесса проявления добиться более резких контуров и более
устойчивых изображений. Летом 1822 года Ньепс получил первую срав-
нительно устойчивую фотографию.
В то время как Ньепс применял в качестве светочувствительного
слоя смолы, отличавшиеся способностью изменять свою окраску при дей-
ствии солнечного света, Дагерр пользовался для этой цели серебряными
пластинками, на поверхности которых в результате обработки их парами
йода образовывался слой йодистого серебра. Это соединение оказалось
значительно более светочувствительным по сравнению со всеми известными
400
до того времени солями серебра. Далее, весьма существенным оказалось
то обстоятельство, что ему удалось в весьма значительной степени сокра-
тить продолжительность съемки, ибо дальнейшая обработка пластинки па-
рами ртути вызывала значительное усиление изображений, которые пер-
воначально были едва заметными. Для закрепления, другими словами,
для растворения еще не разложившегося йодистого серебра он промывал
пластинку в соленой воде.
В 1827 году Дагерр и
Ньепс встретились и осно-
вали объединение с целью
работать над получением све-
товых изображений и при
этом также использовать и те
открытия, которые они сде-
лают при совместной работе.
Однако уже через четыре
года Ньепс умер. Дагерр
работал дальше с его сы-
ном в качестве пассивно-
го участника объединения. К
концу своей жизни и деятель-
ности он уже получил выда-
ющиеся в качественном отно-
шении изображения. Вскоре
предшественники наших ны-
нешних фотографов — дагер-
ротиписты стали появляться
с их громадными аппаратами
и ящиками повсеместной при
этом накопляли опыт и спо-
собствовали в значительной
степени популяризации фото-
графии. Это было тем более
справедливо, что первона-
чально они были встречены
с громадным недоверием,
враждебностью и насмеш-
ками.
Как ни оригинальны бы-
ли работы Ньепса и Дагерра
и как ни велик был их эф-
Рис. 1886. Памятник Ньепсу.
фект, они все же в их первоначальном виде не могли утвердиться. Еще
большее влияние оказал метод, развитый англичанином Тальбо-
том. Последний отказался от применения весьма дорогой серебряной
пластинки и пользовался в качестве носителя светочувствительного слоя
бумагой, которую он попеременно вымачивал в растворе поваренной соли
26 3. Шпа>сус
401
и азотнокислого серебра. На бумаге отлагался тонкий слой хлористого се-
ребра, который при освещении окрашивался в черный цвет. Отрицатель-
ной стороной этого метода являлось то обстоятельство, что хлористое
серебро вследствие своей недостаточной светочувствительности требо-
вало весьма долгой продолжительности освещения. Однако Тальботу уда-
лось путем добавления галловой кислоты и азотнокислого серебра повы-
сить эту светочувствительность. После проявления неразложившееся
хлористое серебро удалялось путем растворения
Г ) ф- Г уф Г ) его в растворе тиосульфата натрия Na2S2O3 —
qp JL главной составной части современной фиксажной
ф-Г ) ф ( у—ф ванны. Благодаря этому снятое изображение стано-
у7 у7 вилось прочным и устойчивым к действию света.
Г J ф- Г у- ф С у Однако и в этих условиях для фотографичес-
у7 X j к°й съемки необходимо было на освещение затра-
ф—( у—ф С у—ф чивать по меньшей мере несколько минут, и фото-
^у графирование требовало от фотографируемых
Г у ф Г у- ф С ) объектов большего напряжения, чем от самого
фотографа: никоим образом нельзя было считать
мелочью необходимость совершенно неподвижно
О=Ад* <=вг- стоять или сидеть в течение десяти или двадцати
минут. При фотографировании в то время совер-
Рис. 189. Идеальный кри- шенно необходимыми вспомогательными приспо-
сталл бромистого серебра, соблениями были штативы для опоры головы и
туловища.
Все же эти работы составили основу для современной фотографии, ко-
торая в дальнейшем испытала последующее развитие. Параллельно этому
проводилось все более и более глубокое изучение теории и существа фото-
графического процесса.
Рассмотрим теперь несколько подробнее процессы, протекающие во
время освещения.
В качестве светочувствительного вещества в настоящее время приме-
няется почти исключительно бромистое серебро, к которому добавляется
около 1% йодистого серебра. Галоидные соединения серебра внедрены в
желатину, а последняя в свою очередь наносится как на носителя на
стекло, целлулоид или бумагу. Бромистое серебро содержится в желатине
в виде небольших кристаллов, построенных из ионов. Структура кристал-
лической решетки соответствует структуре решетки поваренной соли,
другими словами, каждый положительно заряженный ион серебра окру-
жен отрицательно заряженными ионами брома. Для того чтобы могло вы-
делиться черное металлическое серебро, ион серебра должен получить
электрон, а этот последний может быть получен только из иона брома, ко-
торый при отдаче электрона превращается в элементарный атом брома.
Однако этот переход электронов не может протекать так просто. Как было
уже сказано выше, наоборот, обычно наблюдается тенденция захвата ато-
мом брома электрона, и таким путем достраивается электронный слой до
полной устойчивой конфигурации инертных газов, характеризующейся
402
наличием в слое восьми электронов. С тем же результатом атом серебра
отдает один электрон и при этом приобретает электронный внешний слой,
также имеющий характер внешней электронной оболочки благородного
газа. Устойчивое постоянное состояние, несомненно, имеет место в ионной
связи AgBr.
Для того чтобы отщепить от иона брома электрон, необходимо затра-
тить энергию, которую доставляет свет. Как нас учит физика, мы не можем
рассматривать световую энергию в виде непрерывно текущего потока. Эта
энергия состоит, подобно тому как мы это уже знаем относительно хими-
ческих элементов, из мельчайших единиц — «световых атомов», кван-
тов света или фотонов. Каждый из этих квантов имеет величину йу. При
этом й представляет собой постоянную величину, так называемый квант
действия Планка, наоборот, у выражает число колебаний световой
волны, которое связано уравнением с = Ху с длиной волны X и со ско-
ростью света с. Из этого соотношения мы можем сделать еще и следую-
щий вывод: ввиду того, что скорость света с является величиной постоян-
ной, красный свет, характеризующийся более длинной волной, должен
с
в соответствии с преобразованным уравнением у =~ отличаться меньшим
числом колебаний по сравнению со значительно более коротковолновым
голубым светом.
Имея в виду, что энергия кванта света может быть вычислена в соот-
ветствии с уравнением Е = hv, фотоны красного цвета должны поэтому
содержать меньшее количество энергии по сравнению с фотонами синего
цвета.
Таковы твердо установленные физические факты, которые мы с несом-
ненностью можем вывести из упомянутых соотношений. Значительно ос-
торожнее мы должны быть в наших дальнейших заключениях при жела-
нии сделать последовательные выводы относительно течения фотографи-
ческого процесса.
Однако вполне позволительно сделать следующее допущение, кото-
рое и с физической стороны нисколько не будет противоречить фактам. При
попадании одного из упомянутых выше квантов света йу на ион брома
внешний электрон последнего приобретает такое количество энергии, ко-
торого будет достаточно для того, чтобы оторвать электрон от иона брома:
1) Br~+fty-*Br+e
Позволительно предположить, что после этого свободный электрон
будет захвачен соседним ионом серебра, после чего этот последний превра-
тится в нейтральный металлический атом серебра:
2) Ag++© -> Ag
Реакцию (1) мы будем обозначать как фотоэлектрический эффект,
а обе реакции, вместе взятые, мы можем рассматривать как элементарный
фотографический процесс. Реакции (1) и (2) могут осуществляться и в от-
дельности. Проблема становится, однако, значительно сложнее и запу-
таннее в тех случаях, когда мы будем рассматривать обе реакции сов-
местно и попытаемся с их помощью разъяснить фотографический процесс.
26*
403
^^~Ад* ф=Вг-
Рис. 190. Кристалл броми-
стого серебра с дефектными
местами.
Можно ли считать, что приведенный процесс вообще протекает опи-
санным способом? Подумаем: после реакции элементарное серебро и бром
будут находиться поблизости друг от друга. Однако нам известно, что эти
элементы медленно вступают друг с другом во взаимодействие с образова-
нием бромистого серебра, и этот процесс, несомненно, должен будет осуще-
ствиться и в данном случае. Мы уже указывали на то, что состояние AgBr
является более устойчивым по сравнению с состоянием Ag + Вг и что
поэтому при обратной реакции снова должно
будет образовываться бромистое серебро AgBr.
Таким образом, описанный выше фотографиче-
ский элементарный процесс вообще не сможет
осуществиться. И для полноты картины необхо-
димо еще заметить, что вполне чистое броми-
стое серебро вообще не является светочувстви-
тельным. Следовательно, так просто, как это
казалось выше, фотографический процесс не
может быть объяснен. Следует еще иметь в виду
некоторые дополнительные соображения. Необ-
ходимо, например, помнить о том факте, что до
сих пор в наших рассуждениях мы исходили от
идеального кристалла бромистого серебра, в ко-
тором ионы серебра и брома чередуются совер-
шенно равномерно и в полной последователь-
ности. Однако все идеальное в конце концов
оказывается лишь представлением. Так обстоит дело и в указанном случае.
Идеальных кристаллов в действительности не существует, ибо всегда
в кристаллах образуются дефектные места. Некоторые места кристалли-
ческой решетки оказываются незамещенными, а в других случаях ионы
серебра или брома внедряются в пустотные места. В результате этого
ионы, вроде иона серебра, изображенного на нашем рисунке, могут
занять несоответствующее место и оказаться более подвижными по срав-
нению с ионами, занимающими правильные места. Однако сказанное все
еще не дает ответа на наш вопрос, каким образом следует себе представ-
лять образование металлического серебра при освещении бромистого
серебра.
Сделаем еще один дальнейший шаг и допустим, что строение кристал-
лической решетки претерпевает искажение под влиянием других ионов,
содержащихся в виде загрязняющих примесей в кристалле бромистого
серебра. Такими ионами могут быть ионы серы или атомы серебра. И в
данном случае необходимо сделать одно весьма существенное замечание.
Эти чуждые ионы не только присутствуют в бромистом серебре, но они,
кроме того, функционируют в кристалле в качестве «электронных ловушек»
и удерживают освободившиеся вследствие освещения электроны, затрудняя
обратное возвращение электронов к брому. При этом сами «ловушки» при-
обретают значительный отрицательный заряд и притягивают к себе сосед-
ние положительно заряженные ионы серебра, которые при этом нейтрали-
404
зуются и отлагаются в этих местах в виде металлических атомов серебра.
Сказанное особенно относится к очень рыхло связанным ионам серебра,
разместившимся на промежуточных слоях решетки, которые отличаются
большей подвижностью по сравнению с другими ионами серебра.
Однако может случиться, что в первую очередь отщепившийся элект-
рон от брома переходит к иону серебра и превращает последний в атом се-
ребра. Этот атом становится устойчивым на долгое время лишь в том слу-
чае, если в непосредственном соседстве с ним имеется дефектное место в
решетке или, как его называют, зародыш чувствительности, который тот-
час же адсорбирует и закрепляет около себя атом серебра. Таким образом,
при действии света у зародышей чувствительности выделяются атомы се-
ребра, которые начинают играть роль зародышей освещения или зародышей
проявления.
Их (т. е. отложившихся атомов серебра) количество находится
в зависимости от интенсивности и от продолжительности действия па-
дающего на них света. Разумеется, атомы серебра у этих зародышей
освещения не оказываются связанными слишком прочно, так как здесь мы
не имеем дело с подлинно химической связью. Уже сравнительно небогатый
по содержанию энергии красный свет, который обычно не оказывает дей-
ствия на бромистое серебро, способен частично отщеплять атомы серебра
из зародышей освещения, благодаря чему полученное после проявления
изображение испытывает ослабление. Из этого объяснения описываемого
явления понятно, что освобождающийся при разложении бром не улету-
чивается, но присутствует в рыхло присоединенной форме в слое и спосо-
бен в любой момент соединиться с атомами серебра, отщепляющимися от
зародышей освещения.
Описанный первичный фотографический процесс имеет своим резуль-
татом образование скрытого изображения предмета. Однако это скрытое
изображение уже содержит зародыши, «исходные точки» окончательного
изображения, которое затем становится яснее в результате процесса
проявления. Можно, пожалуй, сравнить это изображение с куриным яй-
цом. Из этого «яйца» во время высиживания (развития) образуется будущая
«курица», т. е. видимое изображение. Освещенная пластинка с внешней
стороны ничем не отличается от неосвещенной. Это ясно и без дальнейших
объяснений, ибо в отдельных зародышах освещения заключаются в сред-
нем лишь около 300 атомов серебра, которые, разумеется, не могут быть
замечены даже с помощью микроскопа. Лишь путем последующего про-
явления скрытое изображение претерпевает усиление и становится види-
мым. Однако об этом мы скажем несколько позднее.
Как было уже сказано, незначительные загрязняющие примеси в
кристаллах бромистого серебра играют весьма существенную роль для
правильного течения фотографического элементарного процесса, и один
известный фотохимик однажды сказал: «Искусство получения высокочув-
ствительных эмульсий следует по существу рассматривать как искус-
ство введения определенным образом некоторых загрязняющих приме-
сей в галоидное серебро».
27 3. Шпаусус
405
Еще 30 лет тому назад роль этих примесей не была известна, и часто
при производстве пленок и пластинок получались такие, которые обна-
руживали необъяснимые различия в отношении их чувствительности.
Лишь после того как к разрешению этого вопроса был применен системати-
ческий подход, обнаружилось, что примененная для изготовления пле-
нок или пластинок желатина содержала более или менее значительные
количества сернистых соединений, которые перешли в эту желатину из
исходных материалов и которые, присутствуя в определенной концентра-
ции, сильно повышали чувствительность слоя, ибо ионы серы в значи-
тельной степени принимают участие в образовании зародышей чувстви-
тельности.
В настоящее время фотоматериалы изготовляют таким образом: чистую
желатину нагревают до 60°С (приблизительно), причем она переходит в
жидкое агрегатное состояние, после чего ее обрабатывают бромистым ка-
лием. В сплав при постоянном перемешивании добавляют точно измерен*
ное количество нитрата серебра, и в этих условиях выделяется очень тон-
ко раздробленное бромистое серебро. Одновременно добавляют желатину»
содержащую сернистые соединения в таком количестве, чтобы соотноше-
ние их содержания в эмульсии достигало 1 : 1 000 000. Кроме того, в
эмульсию должны быть введены добавки стабилизаторов для повышения
устойчивости и сенсибилизаторов для повышения и корректуры светочув-
ствительности и чувствительности к различным оттенкам света. Эти до-
бавки повышают качество материала.
Однако мы не будем более останавливаться на технике изготовления
пластинок и пленок, но обратимся к рассмотрению процессов, происходя-
щих при проявлении скрытого изображения.
Что должно быть достигнуто при проявлении? Как нам уже известно,
при помощи энергии света небольшая часть ионов серебра переводится
в металлическое серебро. Правда, этот процесс протекает в столь незначи-
тельной степени, что мы сначала получаем лишь так называемое скрытое
изображение, которое в известном смысле заключает лишь зародыш окон-
чательного изображения, а само по себе еще невидимо. Таким образом»
задача состоит в том, чтобы эти невидимые зародыши усилить до такой сте-
пени, чтобы съемка оказалась видимой и предстала перед нами в правиль-
ных соотношениях яркости.
Эту задачу осуществляет проявитель. Как мы можем прочитать в лю-
бой книге по фотографии, проявитель представляет собой восстановитель-
ное вещество. По существу процесс проявления поэтому представляет со-
бой восстановительный процесс, а этот процесс может заключаться лишь
в переходе ионов серебра в атомы серебра. Вывод, что процесс проявления
должен представлять собой процесс восстановления, покажется нам, не-
сомненно, несколько неожиданным:
Ag++G— Ag.
При примитивном понимании под восстановлением обыкновенно под-
разумевают нечто иное. При восстановлении в противоположность про-
406
цессу окисления мы на первый взгляд имеем дело с отнятием кислоро-
да. Двуокись углерода СО2 мы можем восстановить с образованием окиси
углерода СО, или воду Н2О мы можем восстановить до водорода Н2.
С другой стороны, разве ионы серебра можно восстановить до металли-
ческого серебра.
Разгадка этого процесса находит свое разрешение при рассмотрении
восстановительных процессов в свете ионной теории. Возьмем типичный
восстановительный процесс, например:
CuO+H2^Cu + H2O.
Здесь окись меди СиО восстанавливается действием восстановителя водо-
рода до металлической меди, в то время как сам восстановитель Н претер-
певает окисление, переходя в воду Н2О. Этот процесс нам хорошо известен.
В окиси меди медь присутствует в виде заряженного двойным поло-
жительным зарядом иона Си++, а кислород — в виде иона О-------------.
С другой стороны, молекула водорода, действующая в качестве восста-
новителя, образована из двух атомов водорода, связанных друг с другом
гомеополярной связью и поэтому она не состоит из ионов. Так обстоит
дело до реакции восстановления. После реакции восстановления дело об-
стоит следующим образом: из иона меди образовалась атомарная медь Си;
таким образом, каждый ион Си++ принял при своем восстановлении два
электрона:
Сц++-|-2@ -> Си (восстановление).
Восстановитель в конце реакции присутствует в виде молекулы воды, а
последняя содержит два водородных иона Н+. Положительные заряды
этих двух ионов компенсируются двумя отрицательными зарядами кисло-
родного иона. Для того чтобы нейтральные водородные атомы превратить
в положительно заряженные ионы водорода, необходимо от каждого атома
водорода отнять по одному электрону; при этом водород окисляется с об-
разованием воды:
Н2 — 2@ -> 2Н+ (окисление).
Теперь для нас, по-видимому, окажется ясной вся реакция. В соответ-
ствии со сказанным восстановление, следовательно, связано с присоеди-
нением электронов, в то время как при окислении электроны отдаются.
Мы приходим, таким образом, к более расширенным понятиям окисления и
восстановления. В конце концов мы можем определить эти понятия таким
образом, что при окислении положительный заряд какого-нибудь иона
возрастает или соответственно отрицательный заряд понижается, в то вре-
мя как при восстановлении положительный заряд уменьшается, а отри-
цательный заряд повышается. И это правило окажется подтвержденным на
нашем примере.
Если Ag+ переходит в Ag, то этот процесс мы можем изобразить сле-
дующим образом:
Ag+ + @ -> Ag.
27*
407
При этом ионы серебра присоединяют электроны. Эти электроны могут
быть получены, несомненно, от восстановителя, который сам при этом оки-
сляется. Очень показательной эта реакция становится в том случае, ког-
да мы в качестве восстановителя выберем двухзарядные ионы Fe++, как
это и проводится практически:
Ag++Fe++ Ag-|-Fe+++.
Эта реакция может быть представлена в виде двух стадий следующим об-
разом:
Ag++@ —> Ag (восстановление).
Fe++—>Fe+++ (окисление).
В настоящее время обыкновенно применяют органические восстанови-
тели, как например гидрохинон, метол, аминофенол, пирокатехин, пиро-
галлол, хлораминофенол и др.
При действии проявителя мы имеем дело с восстанавливающим веще-
ством, которое должно восстановить ионы серебра до атомов серебра и ко-
торое в конце концов и осуществляет эту восстановительную реакцию. Од-
нако почему таким же образом не подвергается восстановлению все бро-
мистое серебро, содержащееся в светочувствительном слое независимо от
того, было ли оно предварительно подвергнуто освещению или нет?
В конце концов это впрочем и случится с пластинкой. Даже и та пластинка,
которая не была подвергнута предварительному освещению в течение
продолжительного времени, тем не менее полностью почернеет в растворе
проявителя. Таким образом, при проявлении мы имеем дело лишь с таким
восстановительным процессом, который на предварительно освещенных
местах пластинки протекает быстрее, чем в местах, не подвергавшихся
освещению.
Несмотря на все сказанное, мы все же должны твердо запомнить, что
восстановительный процесс сам по себе всегда протекает с одинаковой ско-
ростью. Если же в некоторых местах происходит более быстрое выделение
темноокрашенного серебра, то это объясняется только более ранним нача-
лом процесса проявления в этих местах пластинки.
Однако вернемся к ранее поставленному нами вопросу. Как это воз-
можно, что в некоторых местах, притом именно в тех, в которых пластинка
подвергалась освещению, восстановление наступает раньше и поэтому
раньше и завершается? Весьма правдоподобным объяснением этого факта
будет предположение, что мы в данном случае имеем дело с каталити-
ческим явлением. В результате освещения в таких местах об-
разовались в светочувствительном слое зародыши освещения, состоящие
главным образом из сгрудившихся атомов серебра, причем число этих ато-
мов зависит от продолжительности предыдущего освещения. Это тонко из-
мельченное серебро, разумеется, характеризуется своей очень значитель-
ной поверхностью и поэтому реакция на нем протекает на многих местах;
мы можем это серебро рассматривать в качестве катализатора, В тех слу-
чаях, когда в результате интенсивного освещения в светочувствительном
408
слое образовались крупные и многочисленные зародыши освещения, вос-
становление соседних ионов серебра в этих местах продвигается быстрее,
и такие места обнаруживают потемнение раньше, чем в других местах пла-
стинки.
Однако не следует ли считать, что мы уклоняемся от решения этой про-
блемы тем, что ввели понятие катализатора? Ведь таким путем мы все же
ничего не узнали относительно характера протекания процесса восста-
новления в освещенных местах светочувствительного слоя.
Около 1930 года этот вопрос, как можно предполагать, был решен
предложенной теорией «пересыщения». Согласно этой теории в растворе
проявителя бромистое серебро переходит в очень незначительной степени
в растворимое состояние, ибо ведь в конечном счете каждое вещество от-
личается некоторой растворимостью даже в тех случаях, когда оно счита-
ется нерастворимым, как наше бромистое серебро. Этому процессу раство-
рения, кроме того, еще способствуют содержащиеся в проявителе посто-
ронние вещества. Перешедшие в раствор ионы серебра восстанавливаются
до атомов серебра, которые также остаются в растворенном состоянии. Од-
нако уже очень скоро жидкость проявителя становится пересыщенной по
отношению к растворенному в ней серебру. Содержащиеся в пересыщенном
растворе в избытке вещества тотчас же начинают выделяться, если в этом
растворе присутствуют зародыши конденсации — центры кристаллиза-
ции. В нашем случае роль таких центров кристаллизации будут играть
зародыши освещения. Там, где они велики и многочисленны (т. е. на
сильно освещенных местах), будет выделяться и значительное количество
серебра, в результате чего слой и будет в этих местах испытывать почер-
нение.
Как ни хороша эта теория, но она не может нас полностью удовлетво-
рить. Правда, она некоторым образом разъясняет процессы, протекающие
при проявлении. Однако допущение, что предварительно бромистое се-
ребро должно переходить в раствор, все же является очень сомнительным»
даже и при условии часто наблюдаемого опыта, подтверждающего особо
успешное взаимодействие растворенных веществ. Однако не следует забы-
вать, что процесс проявления обычно завершается в течение 5—10 минут»
между тем как в столь короткое время никоим образом не может перейти
в раствор весьма значительное количество бромистого серебра. Даже ве-
щество, отличающееся значительно лучшей растворимостью, должно для
этого затратить более продолжительное время. На этом основании в настоя-
щее время приходится уже несколько отойти от теории пересыщенных
растворов и принять ту теорию, которая утверждает, что процесс восста-
новления протекает непосредственно на твердом бромистом серебре. Прав-
да, в этом случае необходимо признать, что растворенное вещество прояви-
теля непосредственно соприкасается с освещенными зародышами и удер-
живается около них.
Однако и этот процесс не протекает так уж просто. Зародыши осве-
щения впитали в себя во время освещения значительное число свободных
электронов и поэтому они стали отрицательно заряженными. Активные
409
ионы восстановителя обыкновенно также несут отрицательные заряды,
ибо ведь они должны в конце концов поставлять электроны, требующиеся
для восстановительного процесса. При этом сами они окисляются и, сле-
довательно, становятся в меньшей степени заряженными отрицательно,
или даже приобретают положительные заряды. Эти продукты окисления
проявителя первоначально присоединяются к отрицательному зародышу
освещения и в свою очередь притягивают к себе свежие порции прояви-
теля, играя таким образом как бы роль переносчика. Если угодно, мы мо-
жем характер их действия сравнить как бы с действием катализатора, ибо
сами они не участвуют непосредственно в реакции и не испытывают ка-
кого-либо изменения, а также не исчерпываются по своему содержанию,
но, с другой стороны, развязывают реакцию и ускоряют ее. С помощью
этих продуктов окисления вещества проявителя приходят, следовательно,
в соприкосновение с ионами серебра, которые должны подвергнуться
восстановлению.
Необходимо, однако, отвести еще одно возражение, которое могло бы
быть сделано со стороны лиц, уже ранее занимавшихся теоретически или
практически фотографией. «Хорошо, — могли бы сказать такие лица,—
но все же одно обстоятельство противоречит высказанной выше теории,
а именно приведенному указанию о роли продуктов окисления проявителя.
Во всех рецептах всегда подчеркивается, что проявитель всегда дол-
жен быть защищен от действия кислорода, т. е. от окисления, иначе он
становится непригодным. Мало того, к раствору проявителя еще добавляют
вещества, целью которых является защищать проявитель от окисле-
ния путем связывания кислорода». «Да,— ответим мы,— это действитель-
но так, однако это не исключает того утверждения, которое нами было вы-
сказано, т. е. что продукты окисления в существенной степени участвуют
в процессе проявления». Имеются даже факты, подтверждающие такое
утверждение. Так, например, было установлено, что раствор проявителя,
изготовленный действительно при полном исключении доступа кислорода
и поэтому не могущий содержать даже следов продуктов окисления, осу-
ществляет свое проявительное действие лишь весьма медленно и неравно-
мерно. Обыкновенно всегда некоторое количество продуктов окисления
содержится в проявителе, и они в положительном смысле оказывают влия-
ние на процесс проявления. Конечно, их содержание должно быть лишь
незначительным, ибо сильно окисленный проявитель становится уже
снова непригодным.
Как уже было сказано, в готовом растворе проявителя содержатся
не только вещества, отличающиеся восстановительными свойствами. Для
защиты от чрезмерного окисления обыкновенно к нему добавляют суль-
фиты, соли сернистой кислоты H2SO3, которые в присутствии кисло-
рода окисляются с образованием сульфатов, например сульфата натрия
Na2SO4. Таким образом, кислород связывается и обезвреживается этим
веществом.
Вещества, имеющие щелочную реакцию, способствуют образованию
гидроксильных ионов, ускоряющих восстановительный процесс. В боль-
410
шинстве случаев для этого добавляют не столь ясно выраженные основа^
ния, как едкая щелочь, а такие вещества, которые в водном растворе гид-
ролитически расщепляются и поэтому имеют слабощелочную реакцию.
Такими веществами являются сода, поташ или бура. Кроме того, к рас-
твору проявителя добавляют еще бромистый калий для предотвращения во
время процесса проявления вуалирования.
Остается еще упомянуть о фиксировании — процессе, сущность ко-
торого может быть объяснена без труда.
В тот момент, когда процесс проявления продвинулся достаточно да-
леко, пластинку или пленку погружают в раствор тиосульфата натрия
Na2S2O31. В этом растворе еще не разложившееся бромистое серебро отмы-
вается и переходит в раствор в результате образования из тиосульфата
и бромистого натрия растворимой комплексной соли.
Таким путем уже образовавшееся на пластинке изображение стано-
вится устойчивым по отношению к действию света. Слабокислая реакция
раствора обусловливает немедленную приостановку течения реакции вос-
становления, протекающей лишь в щелочной среде. Кроме того, такая ре-
акция повышает устойчивость раствора соли фиксажа и, наконец, способ-
ствует вымыванию из слоя красителей, добавленных для сенсибилизации
бромистого серебра.
Последующее основательное промывание способствует вымыванию
из слоя всех еще оставшихся в нем веществ, за исключением серебра. После
этого негатив готов. Разумеется на этом негативе соотношения темных и
светлых мест противоположны по сравнению с первоначальной картиной.
При получении позитивов негатив накладывают на светочувствительный
слой фотографической бумаги. Затем этот негатив освещают, фиксируют
и промывают, после чего в результате такого двукратного обращения снова
образуется позитивное изображение.
Этим мы закончим наше описание фотографического процесса. Это
описание, как читатель уже несомненно заметил, никоим образом не пред-
ставляет собой краткое руководство на тему «Как следует хорошо и пра-
вильно фотографировать». На эту тему написаны многочисленные хорошие
руководства. Наша задача заключалась скорее в том, чтобы пойти несколь-
ко дальше и не останавливаться лишь на чисто технических и описатель-
ных подробностях фотографирования, но бросить взгляд на явления, ра-
зыгрывающиеся за кулисами этого процесса. Конечно, в этой области еще
многое темно и неопределенно.
Для разъяснения многих явлений пока еще главным образом прихо-
дится пользоваться гипотезами, однако имеется много и твердо установ-
ленных фактов, которые делают возможным создать некоторые до извест-
ной степени ясные представления относительно фотографических процессов.
1 Тиосульфат натрия представляет собой натриевую соль серноватистой кислоты.
Обычное ее название — гипосульфит. В промышленности и в лабораториях применяется
только кристаллогидрат — Na2S2O3-5H2O. Широкое применение имеет в текстильной
промышленности при белении хлором и для связывания избыточного хлора. Отсюда
происходит и другое название ее —антихлор. (Ред.)
411
Иногда высказывается мысль, что в области фотографии, по
крайней мере обыкновенной, не цветной фотографии, все уже сделано
и достигнута некоторая степень совершенства. Однако это абсолютно
неверно.
В настоящее время предпринимаются попытки снова отойти от сереб-
ряных солей, практически использовать светочувствительность многих
органических соединений, и в этой области уже достигнуты первые успе-
хи. Так, например, для некоторых веществ обнаружена проявительная
способность, дающая основание для прямо-таки фантастически соблазни-
тельных перспектив. В этом направлении вырисовываются новые возмож-
ности по крайней мере для техники воспроизведения. Кто знает, приве-
дут ли все эти старания когда-нибудь к практическим успехам? Однако
застой в развитии означает попятное движение, и чтобы этого не случилось,
об этом должны позаботиться деятели науки, техники и работники фото-
графической промышленности.
ИЗВЕСТЬ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ
Металл кальций в свободном виде вообще не встречается в природе.
Наоборот, известняк распространен в природе повсеместно. Без металли-
ческого кальция мы легко и свободно можем обойтись. Наоборот, без хи-
мического соединения кальция — известняка невозможно представить
нашу жизнь и нашу культуру.
Многие выводы мы могли сделать уже из сказанного выше. Во-пер-
вых, кальций представляет собой элемент весьма большой реакционной
способности, который вследствие своей значительной валентной силы при-
обретает способность вступать в соединение с другими элементами и ока-
зывается с ними очень прочно связанным. Вместе с тем про известняк, ко-
торый образует на нашей планете колоссальные горы и содержится
в очень многих почвах, который встречается в виде мрамора, мела
и простого известняка, растворим в воде и обусловливает часть жесткости
воды, который циркулирует в соках нашего организма и появляется в со-
ставе наших костей в виде нерастворимого соединения,—про этот изве-
стняк можно утверждать, что он отличается как бы двойной природой: он
то растворим, то, наоборот, нерастворим. Такая противоположность слу-
жит объяснением его широкого распространения и того значительного
влияния, которое он оказывает на многие явления природы. Каким об-
разом эти исключающие друг друга противоречия находят весьма простое
разрешение, об этом мы узнаем несколько позднее.
Не будем более останавливаться на элементарном металлическом каль-
ции и обратимся сразу к рассмотрению известняка.
С химической точки зрения известняк представляет собой углекислую
соль кальция и может быть поэтому изображен формулой СаСО3. Как мы
уже знаем, в воде известняк практически нерастворим и поэтому не может
в ней диссоциировать на ионы металла и кислотного остатка.
412
Карбонаты—это соли очень слабой, летучей и неустойчивой уголь-
ной кислоты. Соответственно установленному для кислот правилу, по
которому сильные кислоты вытесняют слабые кислоты из их солей,
соляная кислота или серная кислота должны были бы вытеснять уголь-
ную кислоту из карбонатов. Так на самом деле это и происходит, и эта ре-
акция служит простой реакцией для обнаружения карбонатов. При обли-
вании карбонатов разбавленной соляной кислотой выделяется угольная
кислота, которая в качестве непрочной кислоты тотчас же разлагается на
воду и двуокись углерода. Этот газ обусловливает характерное вспенива-
ние:
СаСО3+2НС1 -> СаС12 + Н2СО3
Н2СО3~>Н2О+СО2.
При действии серной кислоты соответствующая реакция не протекает
так гладко, так как на самой поверхности куска известняка кальций всту-
пает в соединение с сульфатным остатком серной кислоты с образованием
сульфата кальция, который является веществом нерастворимым и покры-
вает осколок известняка слоем, препятствующим дальнейшему взаимодей-
ствию известняка с кислотой.
Известняки встречаются в столь многих местах земной коры, что
в этом важном материале ни одна страна не испытывает недостатка. Нахо-
димся ли мы на известковых горах Рюгена, или на известковых террасах
Средней Германии, на швабской или франкской Юре, в известковых Альпах
или в карстовых областях Балкан,— всюду мы находим известняки, ко-
торые в этих местах иногда образуют очень значительные горные массивы.
Более подробное рассмотрение позволяет убедиться в том, что в этих от-
ложениях мы очень часто имеем дело с осадками, которые образовались,
на протяжении длительных геологических периодов. Во время этих перио-
дов обширные области нашей теперешней суши были покрыты морем. Мель-
чайшие живые существа, а также более крупные, вплоть до раковин, иг-
локожих, улиток, кораллов, аммонитов и т. д., извлекали для построения
своих скелетов и панцирей известняк из воды, в которой он содержался
в виде растворимых соединений. Животные погибали и опускались на дно.
Органические составные части их организмов становились жертвой разло-
жения, а известковые панцири и скелеты сохранялись и накоплялись во
многих местах морского дна в виде мощных слоев. Через некоторое время
вода, наконец, отступила, и отложения оказались на поверхности. Однако
и после этого они не оставались в спокойном состоянии, в неподвижности.
Громадные сбросы и образование складок поверхности земли присоединили
свое действие к действию медленно, но непрерывно протекавших процес-
сов выветривания. В течение этих процессов известняки переводились в
растворимое состояние и вновь отлагались в виде нерастворимых осадков
в других местах земной коры. Таким путем образовывался также и кри-
сталлический карбонат кальция, известковый шпат, часто встречающийся
в виде прекрасно образованных отдельных кристаллов. Прозрачные, как
413
стекло, кристаллы этого известкового шпата отличаются способностью
двойного преломления света, в результате которого при рассмотрении
предметов через эти кристаллы рассматриваемые изображения двоятся
в глазах. Эти кристаллы встречаются в Исландии. Они находят применение
в промышленности оптических аппаратов.
Мы не будем подробнее останавливаться на рассмотрении различных
форм, в которых встречаются известняки: мергеля, доломиты, мрамор, мел,
травертин и др.
Исключительно важную роль играют известняки в строительном деле.
Еще с давних времен часто встречающийся и легко поддающийся обработ-
ке известняк применялся в качестве строительного материала. Так, напри-
мер, мы встречаем его уже в древнейших еще сохранившихся до сего вре-
мени постройках, например в пирамидах. Однако с давних времен люди
открыли еще и другое свойство известняка и сумели использовать его для
своих целей. При нагревании углекислого кальция от него отщепляется
двуокись углерода и при этом получается в остатке белая окись кальция
СаО. В качестве окиси металла СаО при взаимодействии с водой образует
основание — гидроокись кальция Са(ОН)2, которая в воде растворяется
лишь с большим трудом, а будучи замешана с небольшим количеством во-
ды, образует кашеобразную массу. Смешав эту кашу с песком, можно по-
лучить знакомую всем известку, которая через некоторое время на воздухе
затвердевает и способна прочно скреплять друг с другом строительные
камни.
Обжиг известняка представляет собой типичную реакцию равнове-
сия, ибо при его течении вполне возможен и обратный процесс:
СаСО371 СаО+СО2.
Для того чтобы заставить реакцию протекать главным образом в на-
правлении слева направо, требуется не только применение высокой темпе-
ратуры, но необходимо также, чтобы образующаяся двуокись углерода
быстро была удалена из реакционного пространства. В этом случае
обратная реакция станет уже невозможной, и химическая реакция
будет протекать только в желательном направлении. На практике
это осуществляется уже благодаря одному тому, что естественная тяга
в печи является вполне достаточной, чтобы уводить за собой двуокись
углерода. В самых редких случаях приходится еще пользоваться искус-
ственной тягой.
Мы видим, таким образом, что в этом случае имеем дело с разложением,
с диссоциацией химического соединения. Правда, при этом не образуются
какие-либо ионы, как это имеет место при электролитической диссоциа-
ции. Кроме того, для осуществления описанного выше процесса необходимо
затратить значительное количество тепловой энергии. Поэтому такой про-
цесс называют термической диссоциацией, которая по результатам произ-
водимой реакции и по течению самой реакции очень существенно отли-
чается от электролитической диссоциации.
414
Рис. 191. Схема непрерывного процесса обжига известняка в кольцевой печи.
В былые времена обжиг известняка производился в шахтных печах.
С верхней загрузочной площадки в печь послойно засыпались известняк
и топливо, и в то же время снизу вдувался, как и в доменной печи, воздух.
Топливо сгорало, и температура поднималась до 800°С. Эта температура
необходима для разложения известняка на окись кальция и двуокись
углерода. Образовавшуюся готовую обожженную известь, так называе-
мую «негашеную известь», извлекали из печи через имеющееся в поду печи
отверстие и, таким образом, можно было проводить процесс непрерывно.
Впоследствии эта шахтная печь была заменена на более современные и
более производительные установки, из которых в особенности следует на-
звать кольцевые печи, находящие применение также и при обжиге кирпи-
чей. Соответствующее регулирование поступления в печь воздуха и выхода
горячих отходящих газов обеспечивает наиболее экономное использова-
ние тепловой энергии.
Попробуем рассмотреть конструкцию такой кольцевой печи. Она со-
стоит из многих камер, которые могут сообщаться друг с другом при по-
мощи отверстий и которые расположены кольцеобразно вокруг дымосбор-
ника. В эти камеры неплотно насыпают слоями куски известняка. Загрузку
топлива осуществляют снизу, со дна, через шуровальные отверстия. Лишь
в одной камере горит огонь и только в ней господствует необходимая для
разложения известняка высокая температура. Непосредственный выпуск
еще очень горячих отходящих газов через дымовую трубу означал бы не-
допустимое расточительство тепловой энергии. Путем закрытия задвижек,
ведущих в дымовые каналы, эти газы сначала пропускают через камеры от
6-й до 10-й, которые предварительно наполняют свежими кусками извест-
няка, и, таким образом, эти куски подвергают предварительному подогре-
ванию. Лишь в 10-й камере промежуточная стенка и открытая задвижка,
ведущая в дымовой канал, обеспечивают поступление уже значительно
охладившихся газов в дымосборник и их выход через дымовую трубу. Ка-
меры 10-я и 11-я разделены при помощи стенки. В то время, как в 11-ю ка-
меру загружают свежие куски известняка, из охлажденной камеры 12-й
выгружают негашеную известь. В камеру поступает холодный внешний
воздух; прежде чем он дойдет до места обжига, он должен проследовать
через все камеры вплоть до 5-й, в которых за некоторое время до того го-
рел огонь и которые поэтому еще нагреты до очень высокой температуры.
Холодный воздух, во-первых, быстрее охлаждает камеры и, во-вторых,
ускоряет момент выгрузки. Но, с другой стороны, сам этот воздух претер-
певает предварительный подогрев еще до того, как он примет участие в
сжигании топлива. Благодаря этому это сжигание протекает более интен-
сивно и может быть проведено с меньшим количеством топлива. Когда ка-
меры 11-я и 12-я заполнены (соответственно, разгружены), то пламя на-
правляется в камеру 6. Путем закрывания (открывания) соответствующих
заслонок, а также путем удаления преграждающей стенки подогревают
газами камеру 11, а камеру 1-ю подготовляют для разгрузки. С той же
скоростью, с какой протекает заполнение и разгрузка камер, передвигается
и пламя, а вместе с тем и процесс обжига. Таким путем и здесь осущест-
416
вляется непрерывное производство, ибо все стадии процесса гармонически
сменяются во всем круговороте процесса1.
Вместе с тем потребление топлива сводится благодаря целесообраз-
ному использованию тепловой энергии к минимуму, а это в существенной
степени повышает рентабельность производства.
Рис. 192. Современная вращающаяся печь для обжига цемента.
Негашеная, или жженая, известь, окись кальция СаО, очень бурно
взаимодействует с водой; этот процесс сопровождается выделением значи-
тельного количества тепла. При этом вся масса иногда может нагреться
до 450°:
СаО+ Н2О —* Са (ОН)24- теплота.
Если количество добавленной воды не слишком велико, то часть ее
испаряется с шипением, в то время как твердые куски жженой извести рас-
падаются с образованием рыхлого белого порошка. Как и все гидроокиси
щелочноземельных металлов, гидроокись кальция является относительно
1 В настоящее время кольцевые печи находят все меньшее применение для обжига
известняка. Вместо них применяются шахтные печи, разделяющиеся на пересыпные (в них
известняк загружается вместе с топливом) и на печи с выносными топками, находя-
щимися вне шахты. Для обжига известковой мелочи применяются вращающиеся печи.
(Ред.)
417
слабым основанием, однако она все же представляет опасность, и не раз
неосторожное с ней обращение являлось причиной тяжелых ожогов. Вви-
ду того что это основание плохо растворимо, оно при дальнейшем доба-
влении к нему воды образует белую кашу, которая, будучи смешана с пес-
ком, образует так называемый известковый раствор.
Этот раствор находит в строительном деле широкое применение, ибо
по истечении некоторого времени он хорошо затвердевает с образованием
твердой массы и связывает друг с другом строительные камни. На чем ос-
новано это затвердевание? Из воздуха гидроокись кальция поглощает
углекислый газ и соединяется с этим газом с образованием карбоната
кальция. При этом процессе выделяется вода:
Са (ОН)2+СО2 -* СаСО3+Н2О.
Легко понять, что при этом протекает процесс нейтрализации осно-
вания — гидроокиси кальция кислотным ангидридом СОг с образованием
соли и воды. Образующийся углекислый кальций связывает камни друг
с другом с образованием твердой массы1.
Выделение воды при процессе связывания известки представляет со-
бой нежелательное явление в строительном деле. Этим процессом и объяс-
няется то обстоятельство, что стены новостроек до их основательной под-
сушки остаются влажными. Чтобы избежать этого, делаются попытки ус-
корить процесс схватывания извести путем установки в закрытых ком-
натах новостроек коксовых печей. Образующаяся в этих печах двуокись
углерода ускоряет схватывание извести, а теплота печи обеспечивает бо-
лее скорое испарение воды. Хотя уже по прошествии относительно корот-
кого времени процесс связывания, по-видимому, заканчивается, и стена
становится прочной и сухой, но все же необходимо иметь в виду, что на
самом деле процесс связывания протекает медленно с наружной стороны
по направлению к внутренней стороне стены, и в толстых стенах может
длиться в течение столетий.
Как было уже сказано, здесь речь идет о воздушном известковом рас-
творе, который для затвердевания нуждается в присутствии воздушной
двуокиси углерода. В воде, а также во влажном земляном окружении та-
кая смесь не отличается вяжущими свойствами и поэтому не может быть
применена. Ввиду того что гашение жженой извести представляет собой
неприятную процедуру, в настоящее время характерные для каждой по-
стройки ямы для гашения извести встречаются уже редко, и негашеная
известь уступила место цементу. Однако в строительном деле, а также в
технике и в химической промышленности при проведении некоторых про-
1 Твердение воздушной извести происходит главным образом в результате испаре-
ния воды и образования кристаллических сростков Са(ОН)а и зерен заполнителя; обра-
зование СаСО3 при воздействии углекислого газа воздуха имеет сравнительно второсте-
пенное значение при процессах твердения. Ныне, основные способы гашения извести
изменены, а вместо комовой извести берется тонко молотая, которая, будучи затворена
с водой от 75 до 150%, проявляет свойство схватываться и твердеть, подобно цемен-
ту. (Ред.)
418
цессов все же приходится и теперь иметь дело с негашеной известью, хотя
бы в качестве исходного продукта.
Цемент также состоит главным образом из окиси кальция с добавле-
нием двуокиси кремния и окиси алюминия. При его получении исход-
ным сырьем является либо мергель — природная смесь известняка с гли-
ной, либо такую смесь приготовляют искусственно в желательном составе.
Сырьевые материалы перемалывают, затем нагревают в длинной вращаю-
щейся печи, в которой сжигается пылевидный уголь. В последней зоне
этой печи температура достигает -|- 1350°С. Здесь масса спекается с обра-
зованием алюминатов кальция (соединений извести с окисью алюминия),
которые медленно передвигаются к нижнему концу печи. В результате
последующего перемалывания образуется тот мелкий серый порошок, ко-
торый мы называем цементом. Особенно ценным является так называемый
портландский цемент, состав которого соответствует 58—60 % СаО, 18—27 %
SiO2 и 6—12% А12О3 или Fe2O3.
Материалом, равноценным портландским цементам, являются цемен-
ты, получаемые с использованием доменных шлаков. Таким путем удается
переработать образующийся в больших количествах шлак доменных пе-
чей в ценный строительный материал.
В противоположность известковому раствору, применяемому лишь
на воздухе, цемент затвердевает и в присутствии воды и поэтому принад-
лежит к числу гидравлических вяжущих веществ. При взаимодействии с
водой получаются соединения весьма сложного состава, которые образуют
тесно переплетенную войлокообразную ткань и затвердевают с образова-
нием прочной массы. При этом большая часть воды оказывается связан-
ной химически и уже не выделяется обратно, как это имеет место при воз-
душном известковом вяжущем материале, и только небольшая часть воды
испаряется.
Однако роль извести еще далеко не освещена нами исчерпывающим об-
разом. Мы познакомились с известью уже при описании производства соды
по методу Сольвея, при описании производства сульфата аммония и каль-
цийцианамида; познакомились также с важной ролью извести в качестве
существенной добавки при выплавке руд кислого характера и в качестве
выстилки (футеровки) для грушевидных конверторов Томаса и в печах
Сименса —Мартена. Известняки используются для нейтрализации кислых
почв, а известковое основание находит также применение в сахарной про-
мышленности для осаждения сахара из мелассы. С углеродом известь всту-
пает в соединение с образованием карбида кальция СаСз. Это соединение
служит в химической промышленности в качестве исходного материала
для получения целого ряда важных продуктов, имеющих весьма большое
значение. С водой карбид кальция вступает во взаимодействие с образова-
нием ацетилена — газа, из которого, между прочим, производится синте-
тический каучук «Буна».
Несмотря на то что углекислый кальций очень трудно растворим в во-
де, все же отложения известняков подвержены весьма интенсивным про-
цессам выветривания, и многие природные воды содержат значительно
419
больше ионов кальция, чем этого можно было бы ожидать на основании
незначительной растворимости известняка. Более подробное изучение
разгадывает эту загадку. В воде содержится в растворенном виде не извест-
няк, а бикарбонат кальция Са(НСОз)2. Вода и двуокись углерода (мы мог-
ли бы также сказать угольная кислота) взаимодействуют с карбонатом
кальция с образованием кислой соли, бикарбоната кальция, который, как
и все бикарбонаты щелочноземельных металлов, значительно легче раство-
рим в воде, чем нейтральный карбонат:
СаСО3+Н2О+СО2ХСа (НСО3)2.
Каждая природная вода содержит двуокись углерода и способна, сле-
довательно, действовать на известняк растворяющим образом. Так можно
объяснить то обстоятельство, что известковые образования являются
очень рассыпчатыми и обнаруживают ясно выраженные следы выветрива-
ния. Стекающая вода находит для себя глубокие ходы и желоба, и река
или ручей часто внезапно проникают в какую-нибудь щель и текут на про-
тяжении многих километров под землей, а затем снова выходят в другом
месте на поверхность земли.
Вследствие размывания и образования многочисленных подземных пу-
стот, дождевая вода способна быстро просачиваться на большие глубины,
почему области, богатые известняками, в большинстве случаев характе-
ризуются весьма низким уровнем грунтовых вод и очень бедны источни-
ками. Вытекающая в этих местах на поверхность вода насыщена бикар-
бонатами и поэтому является весьма жесткой.
Иногда встречаются и такие случаи, когда по мере своего размываю-
щего действия почвенная вода проникает через новые щели и трещины
еще глубже и оставляет те пещеры, которые ею были ранее образованы и
заполнены.
В этих случаях часто образуются сталактитовые пещеры, которыми
мы восхищаемся в настоящее время во многих местах земли. Просачиваю-
щиеся капли воды, спадающие с потолка в такой пещере, частично теряют
воду и углекислый газ, вследствие чего часть растворенного бикарбоната
выделяется на потолке пещеры в виде нерастворимого карбоната. Как ука-
зывает приведенное выше уравнение, здесь при образовании бикарбоната
кальция мы имеем дело с реакцией, определяемой равновесием, которое
благодаря выделению воды или двуокиси углерода (испарение) в значи-
тельной степени сдвигается в левую сторону. Таким путем образуются
свисающие с потолка длинные сталактиты, в то время как со дна пещеры
вырастают сталагмиты. Оба образования соединяются, наконец, друг
с другом посередине высоты пещеры.
Круговорот кальция имеет весьма существенное значение для геоло-
гического построения поверхности Земли. Непрерывно с речной водой
выносятся в долины громадные количества извести. По дороге они выде-
ляются в виде осадков или же выносятся в моря, где используются мор-
скими животными для построения их известковых оболочек или скелета.
При отмирании этих живых существ на дно морское снова падает непре-
420
рывный «известковый дождь», и в течение миллионов лет на этом дне
отлагается все утолщающийся известковый слой. Насколько громадным
может оказаться этот перенос извести, можно видеть последующему при-
меру. Ежегодно Рейн выносит из Швейцарии около 2 000 000 м3 карбо-
натов кальция.
Чистая вода никогда не встречается в природе. Всегда она содержит
примеси солей или по меньшей мере содержит газы, как например дожде-
вая вода. И это очень хорошо, ибо совершенно чистая вода безвкусна и,
кроме того, вредна для здоровья.
Какие соли растворены в воде? Во всяком случае в ней содержится
бикарбонат кальция. Кроме того, обыкновенно вода содержит бикарбо-
нат магния Mg(HCO3)2, который аналогично бикарбонату кальция обра-
зуется при взаимодействии угольной кислоты с нерастворимым карбона-
том магния:
MgCO3+H2O+CO2 Mg (НСО3)2.
Если порода, через которую протекает вода, содержит железо, то в воде-
может образоваться бикарбонат железа Ее(НСОз)2. Наряду с этими бикар-
бонатами в воде обычно содержатся также и сульфаты кальция и магния.
Эти соли, правда, растворимы лишь в весьма незначительной степени, од-
Рис. 193. Схема образования накипи при выпаривании раствора
бикарбоната кальция.
нако все же они встречаются в воде в таком количестве, что их присут-
ствие может быть обнаружено без труда.
В сущности говоря, мы можем даже быть довольны тем, что в воде
растворены разнообразные соли. Они поступают при питье в наш орга-
низм. Однако имеется и оборотная сторона медали этого преимущества,
от которой терпят неприятности главным образом домашние хозяйки и
421
производственники. При наполнении котла жесткой водой, т. е. водой,
содержащей много солей, и затем при нагревании этой воды двуокись
углерода, которая в горячей воде растворима в гораздо меньшей степени,
улетучивается. При удалении из равновесия воды и двуокиси углерода,
в соответствии с законом действия масс, все большее количество бикарбо-
ната должно разлагаться с образованием карбоната. Последний будет
выделяться в виде нерастворимого карбоната и первоначально обуслов-
ливать образование беловатого помутнения в воде, которая до того была
совершенно прозрачной. Уже это одно может очень огорчить человека,
имеющего дело с водой. Однако с течением времени карбонаты образуют на
стенках котла все более и более утолщающуюся корку накипи. Этот слой
накипи не только нарушает внешний вид стенки котла. По непрерывно
возрастающему времени, требуемому для начала кипения воды в котле,
можно установить, что карбонатный слой представляет собой превосход-
нейший теплоизолятор. Теплота газового пламени или электрической
нагревательной плитки уже не может так скоро проникать через металл
котельного дна к воде: слой накипи сильно затрудняет прохождение тепла
через дно котла.
В гораздо более значительной степени это относится к промышлен-
ным отопительным котлам. Следствием применения жесткой воды для пи?
тания котлов является значительный перерасход топлива. При нагрева-
нии воды в трубах диаметр труб все более и более суживается благодаря
возрастающей толщине слоя накипи, и, наконец, труба может даже совсем
закупориться. Необходимой становится частая очистка труб и котельных
стенок. Это, разумеется, связано с расходами и с простоем производства.
Если же этого не делать, то в лучшем случае придется считаться с повы-
шенными расходами топлива и с закупоркой труб. Как уже сказано, слой
накипи функционирует в качестве хорошего теплоизолятора. Стенки котла
поэтому нагреваются до значительно более высокой температуры по срав-
нению с находящейся в котле водой. Если при этом случится так, что по
той или иной причине кусок накипи отскочит от стенки котла, то вода
пр 1Дет в соприкосновение с горячей стенкой и испарится со взрывом. В не-
благоприятных случаях непосредственными последствиями этого являют-
ся взрывы котлов.
Каждая домашняя хозяйка дорожит для стирки белья дождевой
водой, содержащей лишь в незначительном количестве растворенные каль-
циевые или магниевые соли. В этом случае, во-первых, для стирки тре-
буется меньше мыла и стирочных материалов и, во-вторых, белье отсти-
рывается лучше. Если в распоряжении хозяйки не имеется мягкой воды,
то воду предварительно необходимо умягчить путем добавления к ней
определенных стирочных веществ. Несомненно, читатель знает также, что
одно и то же количество мыла в жесткой воде дает гораздо меньше пены,
чем в мягкой воде. Причина этого заключается в следующем.
«Мылами» называются натриевые или калиевые соли жирных
кислот. Эти кислоты относятся к области органической химии. Такие
соли растворимы в воде и образуют при полоскании воды очищающую
422
белье пену. При взаимодействии мыла с растворенными в воде кальцие-
выми солями образуются нерастворимые кальциевые соединения жирных
кислот, выпадающие в виде хлопьев и не обладающие уже очистительной
способностью по отношению к белью и, кроме того, прилипающие к тек-
стильным волокнам и окрашивающие эти волокна в серый оттенок.
2Na-(остаток жирной кислоты)2Na+4~ 2 (остаток жирной кислоты)—
2Na+-}-2 (остаток жирной кислоты)“4-
4-Са++ — Са-(остаток жирной кислоты) 4-2Na+.
Рис. 194. Чрезвычайно сильное сужение
трубы благодаря отложению накипи.
Расход мыла, обусловливаемый применением для стирки жесткой
воды, может принимать весьма значительные размеры. Благодаря этому
в некоторых городах большая часть
примененного мыла пропадает, не вы-
полняя предназначенной для него
задачи.
Если эти потери для одного
какого-нибудь частного лица могут
быть терпимы, то в промышленном
масштабе, например для обществен-
ных прачечных ит. п., употребляю-
щих значительные количества мыла,
они играют весьма большую роль.
Для многих отраслей промышлен-
ности мягкая вода также имеет весь-
ма существенное значение. Так, на-
пример, мы знаем, что города с силь-
но развитой текстильной промышлен-
ностью, как Карл-Марксштадт, Пла-
уен, Коттбус, обеспечены мягкой и
даже очень мягкой водой. Это — не
случайность, ибо раньше приходи-
лось пользоваться лишь той природ-
ной водой, какая в этих городах была. Поэтому текстильная промышлен-
ность могла развиваться лишь в таких местах, где природная вода отли-
чалась мягкостью.
Жесткая вода оказывает значительную помеху и имеет весьма небла-
гоприятное влияние. Однако в настоящее время она не составляет боль-
шого несчастья. Существуют многие возможности удалять соли из такой
воды или же переводить их в менее вредные для производства соли и
таким образом умягчать воду.
Наиболее простой способ заключается в том, что вода предваритель-
но подвергается нагреванию. При этом бикарбонаты осаждаются в виде
нерастворимых карбонатов и таким путем отделяются от воды. Правда,
так этим способом удается удалить только так называемую бикарбонатную
жесткость или, как ее еще иначе называют, временную жесткость. Однако
в воде могут еще содержаться сульфат кальция и сульфат магния, а эти
423
соли удалить не так-то легко. Они обусловливают постоянную жесткость.
Правда, это обозначение не следует понимать уже в слишком буквальном
смысле, ибо и эту постоянную жесткость тоже можно устранить, напри-
мер, путем добавления к такой воде карбоната натрия или соды — про-
стейшего умягчителя, применяемого домашней хозяйкой при стирке. При
Рис. 195. Установка для умягчения воды.
этом образуется бикарбонат натрия, а нерастворимый карбонат кальция
выпадает в осадок, как это может быть показано на следующем примере:
Ca(HCO3)2+Na2CO3 — CaCO3+2NaHCO3.
При этом из воды устраняется также и сульфат кальция соответственно
следующему уравнению:
CaSO4+Na2CO3=CaCO3+Na2SO4
424
Рис. 196. Станционная установка для умягчения воды.
или при ионном написании формул:
Ca++SO“+2Na++CO--^>CaCO3+2Na++SO—
Это уравнение станет для нас понятным, если мы учтем, что при этом
образуется нерастворимый СаСОз и что при химических реакциях всегда
имеется тенденция к образованию нерастворимых соединений.
28 3. Шпаусус
425
Вместо соды может быть применено и слабо-диссоциированное извест-
ковое молоко — гидроокись кальция. Правда, этот материал имеет мень-
шее применение:
Са(НСО3)2+Са(ОН)2-*2СаСО3+Н2О или
Са+++ 2НСО7+Са+++2ОН- — СаСО34-2Н2О.
При этом достигается один и тот же результат. Благодаря добавле-
нию солей вещества, обусловливающие жесткость, выпадают в осадок
раньше и могут быть путем фильтрования или отстаивания отделены от
других менее вредных солей.
Все эти методы применялись еще несколько лет тому назад в промыш-
ленности для умягчения воды, которой пользовались для питания котлов
и для прачечных. Однако все в большей степени выдвигаются ныне ионо-
Рис. 197. Соотношение между жесткостью воды и количеством выделяе-
мого в виде хлопьев мыла: черные круги соответствуют жесткости воды,
а черные прямоугольники — количеству расходуемого мыла.
обменники, позволяющие достигнуть той же цели значительно лучше
и проще. Мы познакомимся с ними в одной из следующих глав.
Еще несколько слов следует сказать относительно определения жест-
кости. Необходимо установить метод для количественного определения
наблюдаемой жесткости воды. Уже в древности римляне занимались этим
вопросом и пользовались свойством воды окрашиваться при действии на
нее красного вина и таким образом отличали жесткую воду от мягкой. Чем
больше было содержание бикарбонатов в воде, тем меньшее число капель
красного вина необходимо было добавить к определенному количеству
воды для того, чтобы достигнуть неизменяющейся равномерной окраски.
Дело в том, что ионы кальция и магния взаимодействуют с красным крася-
щим веществом вина и осаждают его.
В настоящее время можно уже отказаться от вина в качестве средства
для определения жесткости воды. Для этой цели применяют раствор мыла
определенной концентрации. Этот раствор по каплям приливают к отме-
ренному количеству воды при частом встряхивании. Пока еще в воде при-
сутствуют ионы кальция или магния, эти соли будут осаждать в виде
нерастворимого осадка мыло, содержащееся в приливаемых каплях, и тем
426
самым будут затруднять образование пены. Лишь после устранения ионов,
обусловливающих жесткость, при дальнейшей прибавленной капле может
наступить образование пены. Количество затраченного мыльного раствора
можно перечислять на 1 г окиси кальция СаО и на соответствующее коли-
чество окиси магния MgO. Вода имеет жесткость в один градус, если в 100 л
она содержит 1 г СаО.
РАЗНООБРАЗНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНИЯ
В среднем одна четверть известной нам по составу земной коры состоит
из элемента кремния. Если от того, что останется в земной коре без крем-
ния, мы еще отнимем кислород, который составляет около 50% всей массы
земной коры, то окажется, что участие кремния в массе земной коры соот-
ветствует участию в этой массе всех остальных 99 элементов. Этот неожи-
данный вывод тем более поразителен, что подавляющее большинство лю-
дей при упоминании о кремнии не может себе даже ничего или почти ничего
вообразить и что во всяком случае почти никто из них не видел и не имел
в руках кремния. Таким образом, мы имеем здесь такую же картину, как
и с кальцием. Кремний, как и кальций, мы встречаем в природе буквально
почти на каждом шагу, однако они никогда не встречаются в природе в ви-
де свободных элементов, но всегда в виде составной части химических сое-
динений. Химическое название кремния silicium заимствовано из латин-
ского языка. По-латыни silex — значит кремень, кремнезем. Однако мы
встречаем кремний не только в кремне, но и в большинстве других пород,
не говоря уже о наличии его в песке, представляющем собой более или ме-
нее сильно загрязненную двуокись кремния.
В связи со сказанным кремний должен обнаруживать весьма значи-
тельное сродство к другим элементам. Особенно легко и прочно он соеди-
няется с кислородом. Не удивительно поэтому, что наиболее устойчивыми
его соединениями являются двуокись кремния и соли кислородсодержа-
щих кремниевых кислот; этому нисколько не противоречит тот факт, что
в их кристаллических решетках содержатся в большем или меньшем ко-
личестве и многие другие ионы.
В соответствии со значительным сродством кремния к другим элемен-
там открыть этот элемент удалось лишь в 1822 году Берцелиусу.
Этот ученый исходил тогда из галогенных соединений кремния и восста-
навливал эти соединения металлическим натрием или калием. В настоя-
щее время обыкновенно берут кизельгур (трепел) или мелкораздроблен-
ный кварц, т. е. двуокись кремния, и основательно перемешивают его с
порошком магния. Магний отличается еще более сильным сродством к
кислороду, чем кремний. После зажигания смеси в одном месте тотчас же
наступает реакция, сопровождающаяся весьма сильным разогреванием;
двуокись кремния восстанавливается и одновременно протекает реакция
окисления магния:
2Mg+SiO2-> 2MgO-bSi.
28*
427
Затем MgO растворяют в соляной кислоте, после чего остается более или
менее чистый кремний в виде коричневого порошка.
Чистый кремний образует темно-серые блестящие кристаллы, отли-
чающиеся значительной твердостью и хорошей электропроводностью. По-
этому его следует считать металлом, однако он тесно граничит и с неметал-
лами. К тому же заключению мы придем, если будем рассматривать его
свойства с точки зрения периодической системы элементов. Выше кремния
стоит в четвертой группе углерод, который может встречаться в форме,
близкой по свойствам к металлам (графит), а также в виде двух неметал-
лических форм (алмаза и аморфного углерода).
Ниже кремния продолжение группы составляют олово и свинец, т. е.
два уже вполне определенных металла. Металлический характер элементов
по одной и той же вертикальной линии возрастает сверху вниз.
К тому же выводу мы придем, рассматривая элементы вдоль по го-
ризонтальной линии. Слева от кремния расположен металл алюминий.
Его гидроокись обнаруживает уже амфотерный характер. Справа к нему
примыкает неметалл фосфор.
Ограничимся этими замечаниями относительно кремния. Как уже было
сказано, он мало известен в элементарной форме, да в этой форме и не име-
ет сколько-нибудь существенного значения. Если за последнее время его
и вырабатывают все в возрастающем количестве в элементарном виде, то
это делают только для того, чтобы затем опять перевести его в новые
соединения, которые не удается получить непосредственно из встречаю-
щихся природных соединений.
Изучение встречающихся в природе естественных силикатов всегда
составляло весьма трудную задачу. Все эти соединения нерастворимы
в воде и в кислотах, они не так легко поддаются диссоциации на ионы,
как это характерно для большинства других неорганических веществ.
Исключением является только плавиковая кислота, которая поэтому и
играет весьма важную роль при анализе силикатов. Она действует на
кремний при обливании ею силикатов и переводит его в летучий четы-
рехфтористый кремний:
SiO2+4HF-> 2H2O+SiF4h
Во всяком случае изучение силикатов долго вызывало серьезные за-
труднения: первое время они лишь с большим трудом поддавались ана-
лизу. Кроме того, выяснилось, что одним химическим анализом мало чего
можно достигнуть в деле определения свойств силикатов. Ведь при коли-
чественном анализе удавалось только определить число атомов элементов,
содержащихся в молекуле, но анализ еще не давал возможности устано-
вить принцип строения такой молекулы. Однако, как мы еще увидим
дальше, именно этот вопрос играет весьма значительную роль при изу-
чении силикатов. Оказались необходимыми исследования их структуры.
Эти исследования в основном осуществляются физическими методами.
Ценную помощь при выяснении тонкой структуры силикатов могли ока-
зать рентгеновский анализ или в новейшее время также и изучение ди-
428
фракции электронов. Благодаря применению этих методов теперь многое
выяснено в отношении структуры силикатов.
В сущности говоря, выяснение структурной проблемы соединений
кремния должно было оказаться легко разрешимым. Кремний — четырех-
валентный элемент, а кислород всегда двухвалентен. Поэтому кремний
и кислород, собственно говоря, должны бы быть соединены всегда только
по схеме: Si + О2 —> SiO2 с образованием двуокиси кремния. В этом
соединении насыщенными являются все валентности, как этого и требует
учение о валентности в своем наиболее простом виде.
Двуокись кремния представляет собой ангидрид кремниевой кислоты,
которой соответствует формула H2SiO3. Замещая ионы водорода на ионы
металла, мы получим соли кремниевой кислоты. Мало того, мы можем
принять, что существует несколько кремниевых кислот. Таким путем мы
сумеем легче объяснить разнообразие силикатов. Однако все же такое на-
ше допущение не всегда будет соответствовать реальности, так как суще-
ствует вовсе не единственная возможность связи между кремнием и кисло-
родом. До тех пор, пока мы имеем дело только с одним атомом кремния и
только с двумя атомами кислорода, наше правило построения формулы
соединения кремния с кислородом сохранится в силе. Однако такое пра-
вило вовсе не связано с каким-либо существующим практическим ограни-
чением. При соединении друг с другом обоих элементов всегда имеется на-
лицо очень много атомов, могущих вступать в реакцию. Но в таком случае
мы имеем право предположить, что атомы кремния вступают в соединение
и друг с другом; то же самое можно предположить и относительно атомов
кислорода. Наконец, возможно также допустить, и это ближе соответствует
действительному положению вещей, что любое число атомов кремния свя-
зывается друг с другом через кислородные атомы как бы при помощи
кислородных мостиков. Такие цепи могут образовывать, кроме того, сети по
всем трем направлениям пространства, благодаря чему может создавать-
ся множество новых структурных возможностей.
Рассмотрим эту картину последовательно. Во-первых, заметим себе,
что хотя кремний и образует четырехзарядные положительные ионы, но
его заряды могут насыщаться не двумя кислородными ионами, а четырьмя.
Таким образом, четырем положительным зарядам иона кремния будут
соответствовать 4X2, т. е. 8 отрицательных кислородных ионов. После
насыщения иона кремния останутся еще 4 отрицательных заряда, в ре-
зультате чего мы получим образование, выражаемое формулой [SiO4] 4~~ .
Это соединение из кремния и кислорода построено таким образом, что в
центре тетраэдра расположен, как паук в своей паутине, ион кремния, в
то время как углы тетраэдра заняты четырьмя ионами кислорода. По-
этому в дальнейшем мы будем применять для такого образования тер-
мин кремниевокислородный тетраэдр.
Естественно, такой тетраэдр, как таковой, не способен к существо-
ванию, ибо он располагает четырьмя лишними отрицательными зарядами,
которые должны быть нейтрализованы одинаковым числом положитель-
ных зарядов. Это может быть осуществлено другими катионами, например
429
ионами магния, как это имеет место в минерале оливине. В этом случае
мы получим формулу Mg2SiO4. В кристалле этого соединения кремниево-
кислородные тетраэдры могут существовать в изолированном виде и быть
связаны друг с другом лишь при помощи ионов магния.
Такое образование представляет собой наипростейшую возможность.
Гораздо чаще дело обстоит таким образом, что тетраэдры соприкасаются
своими острыми углами и
связываются друг с другом
через общий им обоим кис-
лородный ион. В тех слу-
чаях, когда каждые два
тетраэдра на одном угле
связаны одним общим
для обоих кислородным
Рис. 198. Кремниевокислородный тетраэдр. ионом, такое образование
может быть представлено
формулой (Si2O7)6~, что легко установить простым подсчетом.
Остальные 6 отрицательных единиц валентности нейтрализуются
катионами, которые и здесь также обеспечивают связь двойных тетра-
эдров в кристалле. Структурная формула будет в соответствии со сказан-
ным иметь следующий вид:
I I
О О
I I
—О—Si—О—Si-O—
I I
О о
Прежде чем продолжать
перечисление всех возможных
связей в таких молекулах,
необходимо сделать еще не-
сколько важных замечаний.
До сих пор мы указывали
на то, что углы тетраэдра заня-
ты ионами кислорода. Правда,
в большинстве случаев так это
и есть на самом деле, однако
отнюдь не обязательно так долж-
но быть всегда. Часто мы здесь
Рис. 199. Сцепление двух кремниевокисло род-
ных тетраэдров.
найдем и гидроксильные груп-
пы, которые, разумеется, несут только по одному отрицательному
заряду. Чем большее число гидроксильных групп вступает в общий
комплекс, тем меньше будет и окончательный отрицательный заряд.
Далее может случиться, что ионы кремния, которые расположены в
430
центре тетраэдра, будут замещены другими катионами. Особенно легко
они могут замещаться ионами алюминия. В этом случае также наступает
изменение общего заряда, ибо на место четырехвалентного положительного
кремния становится трехвалентный алюминий.
И, наконец, следует еще коснуться вопроса о характере сочетания
кремниевокислородных тетраэдров. Последние могут соприкасаться друг
О*
о“
Рис. 200. Частичная замена кислорода ионами гидроксила.
с другом только углами, но никогда не соприкасаются ни ребрами, ни гра-
нями. В центре тетраэдра расположен маленький ион кремния, обладаю-
щий очень высоким положительным зарядом. Слишком близко друг к дру-
гу одноименно заряженные ионы кремния подойти не могут, ибо иначе
отталкивающая сила снова отогнала бы их друг от друга. При соприкосно-
Рис. 201. Соединение кремниевокислородных тетраэдров в цепи.
вении тетраэдров углами расстояние центров ионов друг от друга значи-
тельно больше по сравнению с теми расстояниями, которые разделяли бы
эти ионы при их соприкосновении по ребрам или граням. В первом случае
сила притяжения еще превышает силу отталкивания; в обоих последних
случаях этого сказать нельзя.
До сих пор лишь по два тетраэдра смыкались при помощи общего
кислородного атома. В том случае, когда каждый SiO4— тетраэдр оказы-
вается связанным при помощи двух кислородных мостиков с двумя дру-
гими тетраэдрами, могут либо образоваться кольца, либо возникают длин-
431
ные цепи. При рассмотрении такой цепи мы сможем установить, что на
каждый ион кремния приходится по четыре кислородных иона, но два из
них полностью принадлежат ему одному, и два дополнительных наполо-
вину следует отнести к соседнему иону кремния. Структурной единицей
в этом случае, следовательно, будет (SiOs)2~, и эта структурная единица
будет в цепи содержаться любое число раз. Такая единица может быть
изображена следующим образом: (SiO3)2n“
Эти цепи
I I
о о
I I
О—Si—О—Si—О—
могут быть далее соединены с образованием полос и слоев, причем, конеч-
но, соотношение числа атомов кремния с числом атомов кислорода будет
становиться все меньшим и меньшим. Наконец, в тех случаях, когда все
Рис. 202. Полосы из кремниевокислородных тетраэдров.
углы кремниевокислородных тетраэдров оказываются связанными при
помощи общих кислородных ионов с соседними тетраэдрами, мы получим
пространственную решетку, в которой на каждый ион кремния приходится
четыре иона кислорода, но при этом эти кислородные атомы наполовину
будут принадлежать соседним тетраэдрам. Структурной единицей в этом
случае будет служить (SiO2) — образование, которое по своим зарядам
также окажется насыщенным и уже не будет больше обладать свободными
валентными единицами. Такую структуру мы, между прочим, имеем в
кварце, который с химической точки зрения рассматривали в качестве дву-
окиси кремния SiO2, но который теперь можем рассматривать как пол-
432
ностью сетчатую систему тетраэдров SiO4 и поэтому обозначать его форму-
лой [SiO2]n.
Однако остановимся на рассмотрении двуокиси кремния — наиболее
важного из соединений кремния. Это соединение может встречаться в са-
мых разнообразных формах, начиная от неказистой песчинки и кончая
роскошным ювелирным камнем.
Начнем прежде всего с кварца. В его наиболее частой форме он об-
разует известный уже с давних пор горный хрусталь. Прозрачный как вода
и достигающий часто по размерам роста человека, он может быть обнару-
Рис. 203. Плоскостное соединение кремниевокислородных тетраэдров.
жен во многих местах земли в пещерах и трещинах горных пород. Кварц
отличается довольно значительной твердостью и при нагревании очень
мало расширяется, почему даже раскаленные сосуды и тигли из плавле-
ного кварца, будучи погружены в ледяную воду, не растрескиваются.
Ввиду того что кварц пропускает ультрафиолетовые лучи, являющиеся
активными и вызывающими «загорание» кожи составными частями сол-
нечного света, в особенности в высокогорных местах, он находит приме-
нение для изготовления кварцевых ламп и оптических приборов. При
фиолетовой окраске кварца его называют аметистом, при бурой его
окраске — дымчатым кварцем, при желтой окраске — цитрином. Дальней-
433
шими сортами кварца являются: розовый кварц, светло-зеленый празем,
мутный молочный кварц.
Обыкновенный кварц является составной частью очень многих пород
и минералов, как например гранита, гнейса, слюдяного сланца, полевого
шпата, и образует в этих породах небольшие кристаллы или мутные и плот-
ные массы. При выветривании он остается вследствие своей значительной
устойчивости в виде песка и на протяжении геологических периодов может
быть превращен при действии кремниевой кислоты или других связываю-
щих веществ в песчаники и кварциты.
Аморфную двуокись кремния представляет собой опал. Выше уже
было указано, что кремниевая кислота нерастворима в воде. В общем и це-
лом это действительно так, однако все же незначительные следы кремние-
вой кислоты содержатся во всякой природной воде в виде коллоидного
раствора. Климатические условия и другие факторы могут обусловить
выделение коллоидной кремниевой кислоты в виде геля, причем одновре-
менно с ним бывают связаны значительные количества воды. С течением
времени эти гели становятся с одновременным выделением воды все тверже
и плотнее и образуют в конце концов опал. Он обыкновенно представляет
собой беловатую массу, обнаруживающую роскошную игру цветов, и по-
этому очень ценится в качестве полудрагоценного камня.
При еще более длительном течении времени опал переходит в кристал-
лическое состояние. При этом образуется халцедон. И этот минерал встре-
чается в различных видоизменениях. Назовем только красный карнеод,
зеленый хризопраз и сардер каштанового цвета. Агат представляет собой
расположенный слоями полосатый халцедон; в связи со своей весьма кра-
сивой полосатой раскраской он применяется для изготовления украшений,
или же вследствие значительной твердости — для изготовления агатовых
ступок, опор и призм для весов и т. д. К группе халцедонов относится так-
же и кремень. Он встречается особенно часто в меловых отложениях и
вследствие своей твердости применялся еще в доисторические времена для
изготовления оружия и инструментов.
Биологическим происхождением характеризуется диатомовая земля,
кизельгур, трепел, или инфузорная земля. Эти материалы состоят из микро-
скопически малых ракушек и остатков скелетов кремниевых водорослей
и диатомей. Богатейшие отложения этих рыхлых и вследствие наличия
многих полостей очень пористых порошков встречаются в особенности в
Люнебургской долине. Часто инфузорная земля содержит значительные
количества диатомового жира, так что сырая диатомовая земля продол-
жает гореть, будучи зажжена. Интересно также, что в наиболее суровые
годы голода во время тридцатилетней войны инфузорная земля служила
в связи со значительным содержанием в ней жиров питательным вещест-
вом. Как уже было сказано, этот материал способен жадно впитывать жид-
кости и газы и вследствие своей рыхлой и воздушной консистенции пред-
ставляет собой очень хороший изоляционный материал.
Можно не останавливаться подробнее на обилии прочих природных
силикатов. Стекло также представляет собой важный искусственно полу-
434
чаемый силикат. Приведем только еще одно получаемое искусственно со-
единение кремния — карбид кремния, или, как его называют технически,
карборунд. Карбидами являются соединения какого-нибудь элемента
с углеродом, т. е. в данном случае соединение углерода с кремнием с фор-
мулой SiC. Карбид кремния образуется при сплавлении песка с углеродом
при высокой температуре электрической дуги:
SiO2+3C->SiC+2CO.
Карборунд отличается ис-
ключительно высокой твердо-
стью и поэтому применяется для
изготовления шлифовальных
кругов, шлифовальных камней
и наждачной бумаги. Кроме
того, он отличается высоким
электрическим сопротивлением
и служит в качестве нагрева-
тельного элемента в печах с
силитовыми стержнямих.
Еще несколько лет тому
назад казалось, что уже извест-
ные в то время соединения крем-
ния в основном исчерпывают
химию соединений кремния.
Правда, после этого были по-
лучены дальнейшие соединения
кремния с водородом и с гало-
генами, однако эти соединения,
по-видимому, представляли
только научный интерес. Лишь
после 1940 года стало известно,
что кремний должен играть зна-
чительно более существенную
роль, чем до того времени.
С этого времени началось раз-
витие методов получения, изу-
чения свойств и применения
Рис. 204. Объемное соединение кремниевокисло-
родных тетраэдров.
силиконов. В короткое время, в несколько лет, эта область оказалась
весьма обширной, ценной и имеющей большую перспективу. Полученные
до настоящего времени результаты за короткое время, прошедшее с нача-
ла развития этой области, являются столь многообещающими, что мы,
несомненно, можем с уверенностью ожидать их дальнейшего развития.
1 Силитовые стержни обладают большим удельным сопротивлением и широко при-
меняются в лабораторных нагревательных печах. Изготовляются они путем обработки
угольных стержней парами кремния при температуре 1600—1900°. (Ред.)
436
Что такое силиконы? В структуре силикатов мы познакомились с
кольцами, цепями, полосами и сетями, образование которых объяснялось
соединением кремниевокислородных тетраэдров, имеющих общие кисло-
родные ионы. Это соединение осуществляется при помощи общих кисло-
родных ионов или кислородных мостиков. Остаточные единицы валент-
ности кремния насыщаются новыми атомами кремния, которые в свою оче-
редь способны связывать дальнейшие катионы, если они не функциони-
руют в качестве составных частей другого тетраэдра:
Л 1 1
ООО
I I I
—О—Si—О—Si—О— Si— О—
I I I
ООО
I I I
Заменяя эти атомы кислорода органическими радикалами, например
метильными группами СН3, можно получить соединения, имеющие частью
органический, а частью неорганический характер; эти соединения и носят
название силиконов.
Не будем подробнее останавливаться на характере этих органических
остатков и обозначим их краткой буквой R:
R R R
—О—Si—О-Si—О— Si— О-
I I I
R R R
Легко понять, что при изменении числа структурных единиц такого
соединения, замещая кислородные атомы органическими радикалами пол-
ностью или только частично и в качестве радикалов выбирая самые различ-
ные органические группы, можно получить великое множество различных
силиконов.
Вязкость, тугоподвижность силиконов в значительной степени зави-
сит от длины их цепей. Если эти цепи коротки, то получаются прозрачные,
как вода, и легко подвижные жидкости. По мере возрастания длины цепей
силиконы приобретают маслянистые и тестообразные свойства, затем пе-
реходят в каучукоподобное состояние, а при особо длинных и разветвлен-
ных цепях приобретают характер искусственных смол.
Одно свойство является характерным для всех силиконов, а именно—
незначительная зависимость их свойств от температуры. В то время как
органические масла по мере повышения температуры все более и более
понижают свою вязкость и все более повышают способность размазывать-
ся, силиконовые масла, наоборот, сохраняют долго свою первоначальную
вязкость без изменения. Это свойство распространяется также и на сили-
коновые пасты, силиконовые сорта каучука и силиконовые синтетические
436
смолы. Все эти материалы также переносят без всякого вреда более высо-
кие температуры по сравнению с соответствующими чисто органическими
соединениями. Далее необходимо указать на то, что силиконы абсолютно
безвредны для здоровья и не оказывают на кожу никакого раздражаю-
щего действия. Поэтому их в настоящее время с успехом применяют в ка-
честве основы для изготовления мазей, а силиконовый каучук может нахо-
дить себе широкое применение в фармацевтической, медицинской прак-
тике и в пищевой промышленности.
Ввиду того что силиконы отличаются способностью отталкивать мо-
лекулы воды, их можно применять для пропитывания ими различных
материалов. Следует упомянуть об их пригодности для изготовления по-
липгур, а также изоляционных материалов, ибо их превосходные изоляцион-
ные свойства также оказываются мало зависимыми от температуры.
Оптимизм и преувеличение не являются однозначными понятиями.
Мы остережемся от предсказания, что в ближайшее время все масла, сма-
зочные средства и резиновые изделия будут изготовляться из песка и что
мы приближаемся к «веку кремния». Высказывая такое утверждение, мы
окажем науке очень плохую услугу и одновременно обнаружим, что в нас
любовь к сенсации развита в большей степени, чем стремление к хоро-
шему знанию дела и трезвому размышлению. Однако все же можно
считать несомненным, что в настоящее время во всем мире внимание обра-
щено на силиконы и что многие ученые и технологи усердно работают над
дальнейшим развитием химии силиконов. Желание получать ценнейшие
вещества из столь широко и обильно распространенного в природе исход-
ного продукта, каким являются силикаты, и уже достигнутые в настоящее
время в этой области результаты являются сильнейшим стимулом для
дальнейшей работы в этом направлении.
ИОНООБМЕННИКИ
В одной из прекрасных сказок датского писателя Андерсена говорится
о безобразном маленьком утенке. На птичьем дворе подрастал этот утенок,
отличавшийся от своих сверстников своей неприглядной и даже отврати-
тельной внешностью. Его презирали почти все обитатели двора и зачастую
колотили его. Никто не хотел иметь с ним дела. Но в один прекрасный
день этот утенок преобразился в красивого лебедя, который сделался
центром внимания птичьего двора.
Мы не будем прямо сравнивать отдельные области науки и отдельные
открытия с гадким утенком, равно как не будем и сопоставлять естест-
венные науки в целом с птичьим двором. Однако аналогичные явления
встречаются также и в их областях. Иногда вдруг окажется установлен-
ной какая-нибудь теория, делается открытие, которое сначала, по-види-
мому, не имело большого научного и практического значения. То в одном,
то в другом отношении эта проблема вызывает к себе некоторый интерес,
однако у большинства исследователей данный вопрос не получает полно-
ценного признания, или же он не находит какого-либо существенного при-
437
менения. И вдруг положение изменяется. Дальнейшие работы выявляют
значительно более универсальное применение открытого явления, чем это
казалось ранее. Благодаря этому к нему пробуждается интерес. После того
дело идет весьма быстро. В той мере, в какой данной областью работы
занимаются многие исследователи, выясняются и новые результаты, оты-
скиваются новые применения данного метода, которые в свою очередь зна-
чительно расширяют круг научных работников, интересующихся описы-
ваемой темой. Часто причиной того, что данная область исследования пер-
воначально встретила такое пренебрежение, являлось то обстоятельство,
что в первое время эта область ограничивалась рассмотрением явлений в
границах слишком узкого сектора и относительно нее принималось пред-
положение, что этим сектором и исчерпывается работа в данной области.
Так именно и обстояло дело с вопросами, относящимися к процессам
ионного обмена. Однако без этих процессов и без ионообменных веществ
уже после краткого времени их применения ныне нельзя себе представить
некоторые отрасли промышленности и науки. Об этом в первую очередь
свидетельствуют многочисленные опубликованные в этой области работы.
В настоящее время едва ли найдется хоть один экземпляр химических
специальных журналов, в которых бы не содержалось хотя бы краткой
заметки, касающейся теории или практики ионообменников.
Правда, это все относится лишь к нескольким последним годам. Как ни
велика роль ионообменников во всех областях химии и сопредельных от-
раслей знания, начало их изучения было положено в агрохимии, которая
и занималась одна этой проблемой в течение долгого времени. Это и понят-
но, если принять во внимание, что именно агрохимия повседневно имеет
дело с ионообменником, почти повсеместно присутствующим в природе,
а именно — с почвой.
Уже много веков тому назад была известна способность почвы погло-
щать и удерживать пр'и прохождении через нее вещества, обладающие за-
пахом, или растворенные в воде соли, а также красящие вещества. Перво-
начально исследователи считали, что при этом происходит процесс обык-
новенной адсорбции и не старались более подробно разобраться в
сущности этих процессов.
В 1845 году английский исследователь X. С. Томпсон заинтере-
совался вопросом, вымывается ли дождем аммиак, адсорбированный в
почве, и пропадает ли он при этом для растений. В проведенных им затем
по этому поводу опытах он, к своему удивлению, установил, что почва
не только адсорбирует, а, следовательно, поглощает и удерживает ионы,
но что она при этом одновременно выделяет соответствующие количества
других ионов. Это происходит приблизительно следующим образом. При
просачивании через столб почвы разбавленного раствора точно измерен-
ного в отношении содержания в нем сульфата аммония, прошедшая через
этот столб почвы жидкость содержит, правда, меньшее количество суль-
фата аммония, но в этом растворе зато удается установить содержание та-
ких ионов, которые не присутствовали в нем первоначально, в первую оче-
редь ионов кальция и магния.
438
Mg
-----NHz,*
CQ
Английский химик Королевского сельскохозяйственного общества
Дж. У э й, которого Томпсон познакомил с этими результатами, тотчас
же распознал далеко идущее значение их для агрохимии. В дальнейшем
он посвятил себя тщательному исследованию этих вопросов и в двух своих
статьях, опубликованных в 1850-х годах, сумел установить на основе мно-
гочисленных опытов целый ряд закономерностей, часть которых сохра-
няет свое прямое значение и по настоящее время.
В чем заключается существо ионного обмена, каким образом функцио-
нируют ионообменные вещества и какую роль они играют в науке и тех-
нике? Термин «ионообменник» сам по себе
очень понятен и однозначен, и уже из самого
этого термина мы можем понять все сущест-
венное, относящееся к его смыслу. Имея дело
с ионообменниками, мы пользуемся вещест-
вами, которые способны из просачивающе-
гося через них раствора поглощать и удержи-
вать некоторые определенные ионы и затем
выделять соответствующие количества дру-
гих ионов. Кажущееся разностороннее свой-
ство ионообменников не только поглощать,
но и выделять ионы, при ближайшем рас-
смотрении оказывается необходимостью.
Ионы представляют собой электрически за-
ряженные частицы. Если бы ионообменники
обладали свойством поглощать только одни
катионы, то они при этом заряжались бы
положительно и очень скоро начинали бы
проявлять отталкивающее действие по отно-
шению к другим катионам. Поглощение
катионов очень скоро пришло бы к своему
концу. Однако вследствие того, что на каж-
дый поглощенный одновалентный катион
происходит и выделение также одного одно-
валентного катиона, сохраняется электро-
нейтральность ионообменника. Мы, конечно,
должны понять, что ионообменник не может
бесконечно выделять ионы: откуда-нибудь Рис- 205- Почва как ионообмен-
они должны притекать, и как только они ник*
окажутся исчерпанными, их способность к
обмену сделается равной нулю. Весьма существенным обстоятельством
является то условие, что путем обработки ионообменников соответствую-
щими обменными ионами их удается снова регенерировать благодаря
тому, что эти обменные ионы становятся при этом на место первоначаль-
но внедрившихся ионов и снова вытесняют их. Этот процесс можно срав-
нить с поведением скупщика одежды. Ему дают разнообразную старую
одежду, он ее берет и оплачивает ее стоимость наличными деньгами.
439
Однако в конце концов и скупщик не мог бы дальше производить свои
операции: у него не оказалось бы больше денег, если описанный выше
процесс продолжался бы все дальше и дальше. Скупщик также время от
времени должен быть «регенерирован» тем, что он продаст свой товар и
обменяет его в свою очередь на деньги.
Обратимся сначала к рассмотрению веществ, из которых состоят
ионообменники и попытаемся, изучив их структуру, понять механизм их
действия.
В первое время развития учения об ионообменниках работа с ними
ограничивалась лишь природными кристаллическими силикатами, встре-
чающимися в почве. Позднее к ним все в более и более возрастающей сте-
пени присоединялись и искусственные кристаллические силикаты. Но уже
с 1935 года в качестве веществ, применяемых для изготовления ионообмен-
ников, употребляют искусственные смолы. Применение последних в такой
степени оправдало себя, что в настоящее время силикатные ионообменники
в значительной степени оттеснены на задний план, ибо они во многих от-
ношениях уступают ионообменным смолам.
Однако остановимся на рассмотрении природных глиняных силикат-
ных материалов, которые по их структуре и по их способности выполнять
функции ионообменников не отличаются коренными отличиями от искус-
ственных материалов и которые составляют существенную составную часть
коллоидной фракции почвы. Среди них мы обратим внимание на монморил-
лонит, который отличается весьма высокой сорбционной емкостью и силь-
но выраженной способностью к обмену ионов.
Глины представляют собой соединения, содержащие кремний и алюми-
ний, и являются силикатами. Мы уже знаем, что силикаты отличаются
кристаллической структурой. В качестве структурных элементов этих
кристаллов мы встречаем противоположно электрически заряженные ато-
мы — ионы, которые в результате противоположных электрических за-
рядов сдерживают друг друга и образуют кристаллическую решетку с оп-
ределенным расположением ее структурных элементов.
Решетка состоит из тонких листочков, причем каждый алюминиевый
слой находится между двумя кремниевыми слоями. Эти листочки, будучи
связаны друг с другом двухвалентными ионами кислорода — кислород-
ными мостиками, образуют пакет слоев. Характерным для монмориллонита
является, однако, то обстоятельство, что расстояние между отдельными
пакетами слоев не является постоянным, но изменяется в широких преде-
лах. В то время как у сухого монмориллонита это расстояние не превы-
шает 3,5 А (1 А = 10“8 см), оно может при внедрении молекул воды
расшириться до 14 А. Такая значительная способность к набуханию
подобных глин была известна уже издавна. Она обусловливает то обстоя-
тельство, что в результате возникновения внутренней поверхности общая
поверхность вещества значительно возрастает.
Ионные заряды внутри пакетов слоев при этом не нейтрализуются;
наоборот, в этих слоях существует избыток отрицательных единиц элек-
44Q
трических зарядов, образующийся в результате того, что четырехвалент-
ные положительные ионы кремния могут замещаться трехвалентными по-
ложительными ионами алюминия, а трехвалентные положительно заря-
женные ионы алюминия — двухвалентными положительными ионами
магния. Это замещение более высокозаряженных положительных ионов
решетки менее высокозаряженными ионами решетки обусловливает, ко-
нечно, и установление избытка отрицательных зарядов.
Разумеется, монмориллонит не остается заряженным отрицательно,
ибо к ионам на внешних поверхностях пакетов слоев, а также между этими
пакетами присоединяются положительные ионы, т. е. ионы металлов и
водорода. Эти ионы в противоположность ионам, находящимся в кристал-
лической решетке, связаны относительно непрочно и поэтому способны об-
мениваться, т. е. частично диссоциировать в водном растворе и вытес-
няться или замещаться другими ионами.
Ввиду того что такие природные ионообменники всегда встречаются
в загрязненном виде и поэтому обнаруживают часто неодинаковую сорбци-
онную способность, возникла необходимость изготовить их искусственно.
Такие пермутиты (лат. permutare — обменивать) можно, между про-
чим, получить путем сплавления в определенном количественном соотно-
шении кварца, каолина и соды. Образовавшийся стекловидный продукт
обрабатывают после его измельчения водой, и при этом он переходит в
листовую массу, отличающуюся способностью обменивать ионы натрия
на другие катионы.
И здесь также существует избыток отрицательных зарядов, имеются
места разлома на слоях решетки и сильно развитая внутренняя поверх-
ность. Эти обстоятельства имеют своим результатом присоединение к по-
верхности решетки «стаи катионов», которые отличаются способностью за-
мещаться на поверхности другими ионами.
Таким образом, как силикатные ионообменники, так и ионообменники,
изготовленные на основе искусственных смол, представляют собой вещест-
ва, пронизанные многочисленными порами и каналами и характеризую-
щиеся наличием очень больших поверхностей, на которых расположены
ионы, способные обмениваться на другие ионы. По сравнению с этими ио-
нами сами ионообменники в большинстве случаев представляют собой об-
разования, имеющие величины коллоидного порядка, т. е. громадные и
неподвижные тела. Если мы имеем дело с катионным ионообменником, ко-
торый, следовательно, сам заряжен отрицательно, то такой ионообменник
можем себе представлять как очень крупный отрицательно заряженный
кислотный остаток и называть его ацидоидом, в то время как положи-
тельно заряженный коллоидный анионный ионообменник будем соответ-
ственно называть базоидом.
|ацидоид— катион4", соотв. базоид+ | анион-
При погружении ионообменника в воду ионы, способные обмениваться,
могут подвергаться процессу электролитической диссоциации. В известной
29 3. Шпаусус 441
степени они оказываются подвижными, однако все же не могут покинуть
массу ионообменника, ибо в этом случае уже не могла бы сохраниться
электронейтральность всей системы. Все же, если такой заряженный во-
дородными ионами ионообменник попадает в раствор, в котором, напри-
мер, содержатся ионы натрия, то эти ионы могут частично вытеснить водо-
родные ионы и при этом разместиться по тем местам, где ранее находились
вытесненные ими ионы водорода. С электрохимической точки зрения, при
этом не происходит никакой перемены, ибо ион натрия обладает, так же
как и ион водорода, положительным зарядом. Таким образом, процесс об-
мена ионами представляет собой химический процесс, при котором одни
ионы заменяются другими, но при этом число зарядов не претерпевает ни-
какого изменения. Двухвалентный ион магния Mg++ может заместить
два одновалентных иона натрия; два трехвалентных иона алюминия могут
заместить три двухвалентных иона кальция. Поэтому нет ничего удиви-
тельного в том, что описанный выше процесс мы можем представить в виде
химического уравнения:
ацидоид- — H++Na++Cl- ацидоид- —Na++H++Cl~.
В качестве химического процесса реакции ионообменников находятся
также в зависимости и от тех факторов, которые мы и раньше установили
вообще для химических реакций. В особенности в существенной степени
на установление равновесия реакции оказывает влияние концентрация.
Обмен ионов будет, если не считать крайних случаев, тем полнее, чем боль-
ше ионов содержится в окружающем растворе, следовательно, чем кон-
центрированнее этот раствор.
Кроме того, обмен будет протекать лучше в том случае, если мы по-
заботимся о том, чтобы обмененные ионы тотчас же были удалены из си-
стемы равновесия. Таким путем будет предотвращен их обратный обмен,
при котором они могут занять свои прежние места. Обыкновенно раствору
с обменивающимися ионами дают просачиваться через ионообменную ко-
лонку, причем обмененные ионы вымываются и удаляются из системы
равновесия.
В качестве чисто химической реакции ионообменный процесс также
протекает обратимо. Натриевые ионообменники, как это, например, име-
ет место при умягчении воды, могут быть после того как они будут исчер-
паны, регенерированы путем обработки их раствором поваренной соли.
Присутствующие при этом в большом избытке ионы натрия вытесняют
из ионообменника все посторонние ионы, присоединившиеся к ионообмен-
ному комплексу, и таким путем снова восстанавливают первоначальный
натриевый ионообменник.
Каждый ионообменник содержит определенное число способных к
обмену ионов. Эта сорбционная емкость и способность загрузки при одина-
ковых количествах заменяющих ионов достигает неодинаковых процент-
ных количеств. Имея, например, полностью загруженный водородными
ионами ионообменник и обработав его при равных условиях соответствую-
442
щими количествами бариевых и натриевых ионов, мы сможем установить,
что бариевые ионы заменят водородные ионы в большем количестве по
сравнению с натриевыми ионами. Разумеется, соответственным образом
будет обстоять дело и с количествами обменных водородных ионов. Этот
результат зависит, между прочим, от того, что размер заменяющих ионов
играет существенную роль, причем под размером следует иметь в виду ра-
диус соответствующего иона с окружающей этот ион водной оболочкой.
Так, небольшие ионы могут проникать в такие поры и каналы ионообмен-
ника, которые для более крупных ионов окажутся недоступными.
к, расте
ниям
Рис. 206. Ионообменные процессы в почве.
Наконец, загрузочная емкость зависит также и от степени кислот-
ности раствора. Так, водородные ионы при применении щелочного рас-
твора легче и полнее подвергнутся обмену.
Остановимся еще на некоторых случаях значения и на практическом
применении ионообменников.
В почве существенную способность к полному обмену обнаруживают
как глиноземные минералы, так и гуминовые вещества. Качество и пло-
дородие почвы зависит, кроме целого ряда различных других факторов,
также и от ее сорбционной емкости. Если последняя имеет значительную
величину, то питательные соли, поступающие в почву в результате процес-
сов выветривания и путем внесения удобрений, оказываются в значитель-
ных количествах связанными в ионообменной форме и поступают в распо-
ряжение растений для обмена веществ. Поступление этих ионов в расте-
ния осуществляется путем выделения корнями ионов водорода, которые
29* 443
способны легко обмениваться на питательные ионы. Новые ионы, посту-
пающие в раствор, снова вытесняют часть водородных ионов из почвы и
таким путем регенерируют почву. Таким образом, в агрохимии определе-
ние ионов, равно как и общей сорбционной емкости, а также способных к
обмену ионов металлов играет важную роль.
Проблемы биохимического и физиологического характера до сего вре-
мени еще не подвергались в большинстве случаев рассмотрению с точки
зрения ионного обмена, однако и в этих областях уже имеется ряд интерес-
ных результатов. Оказалось, что ионообменные процессы в живом веществе,
по-видимому, имеют весьма большое распространение. В первую очередь в
этом отношении следует упомянуть о «гигантских ионах» белковых веществ,
которые функционируют в организме как в качестве катионных, так и в
качестве анионных ионообменников. Их поверхность никогда не бывает
незанятой, причем в ионообменных процессах наряду с неорганическими
ионами принимают участие также и органические анионы и катионы. Од-
нако на этих вопросах мы не можем здесь останавливаться подробнее.
Весьма важную область применения ионообменники получили при
умягчении и очистке воды. Выше уже было сказано о том, что природная
вода никогда не бывает чистой, но часто содержит значительные количе-
ства растворенных солей кальция, магния и железа, равно как и других
веществ. Все эти вещества обусловливают жесткость воды, благодаря ко-
торой она становится непригодной для многих целей.
Естественные и искусственные силикатные ионообменники были впер-
вые применены для умягчения воды в 1910 году. Однако применение та-
ких ионообменников было ограничено, ибо они функционировали лишь
в узких пределах pH и были весьма чувствительны к повышенным темпе-
ратурам. Благодаря введению искусственных смоляных ионообменников
эти задачи удалось разрешить значительно лучше и легче.
Для умягчения воду в настоящее время пропускают через ионообмен-
ники, содержащие натриевые ионы. Ионы кальция и магния, которые
составляют главную часть жесткой воды, вступают в ионообменную
реакцию, и при этом выделяется соответствующее количество менее
вредных ионов натрия. После исчерпания загрузки, т. е. после выделе-
ния всех ионов натрия, ионообменник регенерируют, обрабатывая его
раствором хлористого натрия, причем ионы натрия снова замещают ионы
кальция и магния и вытесняют их.
Этот процесс можно было бы представить нижеследующими формула-
ми, причем А обозначает ионообменник:
Са++ умягчение Qa Д
+2Na2A +4Na+
Mg++ ^регенерация^ё А
Нередко, однако, нежелательными являются и ионы натрия, посту-
пающие благодаря ионообменнику в воду.
При желании получить воду, не содержащую электролитов, необ-
ходимо направить процесс по несколько иному пути. Природную воду
444
сначала пропускают через водородный ионообменник, т. е. через такой,
который содержит способные к обмену водородные ионы. Эти ионы пере-
ходят в воду на место содержащихся в растворе ионов металлов, как на-
пример Са++, Mg++ или Fe+++; вместо ионов водорода ионообменник свя-
зывает ионы металлов. Во вторую рабочую стадию через анионный ионо-
обменник, отличающийся способностью связывать кислоты, пропускают
воду, содержащую ионы водорода. Ионы бикарбоната НСО“ также со-
держащиеся в воде, вместе с водородными ионами образуют угольную ки-
слоту, которую в конце концов удаляют в особый сосуд. При помощи по-
сог
I____________v____________I L
1-я ступень
Замена катионов водородом
2-я ступень
Удаление образовавшихся в 1-ой ступени
кислот и разложение угольной кислоты в
газопоглотителе
Рис. 207. Схема ионообменной колонны.
добного комбинированного применения катионных и анионных ионооб-
менников вполне возможно получить свободную от присутствия электро-
литов, а при особой тщательности проведения процессов и дистиллирован-
ную воду.
В такой ионообменной установке каждой ионообменной колонке соот-
ветствует сосуд, содержащий регенерирующую жидкость. После исчер-
пания вещества ионообменника эту жидкость пропускают через вещество
ионообменника. Эта жидкость снова восстанавливает действие ионо-
обменного вещества. При водородном ионообменнике такой жидкостью,
восстанавливающей действие ионообменника, может, например, служить
разбавленная кислота (соляная кислота). Водородные ионы этой кислоты
должны вытеснить металлические ионы, которые перед тем присоедини-
лись к веществу ионообменника. Схема ионообменной установки, рабо-
445
тающей автоматически и применяемой для очистки воды, уже была опи-
сана выше.
Ионообменниками для удаления ионов, вредных для того или иного
применения воды, пользуются и во многих других областях. Так, напри-
мер, часто при промышленных методах можно достигнуть очистки сырь-
евого материала и при этом можно избежать продолжительной и затруд-
нительной перегонки. Достаточно только упомянуть о применении кати-
онных и анионных ионообменников при очистке сахарных сиропов от
минеральных солей.
Ионообменники преимущественно применяют в тех случаях, когда
продукт содержится в конечных растворах лишь в очень незначительных
количествах, и когда он должен быть обогащен, как это, например, имеет
место при получении многих химических продуктов путем пропускания
раствора их через ионообменную колонну. Вещество в этой колонне обо-
гащается и может при последующем вымывании быть получено в концент-
рированном виде. Таким образом, ионообменники применяются при полу-
чении витаминов, причем, во-первых, достигается обогащение витамином,
а во-вторых, отделение его от других сопутствующих веществ.
Определение содержания элементов, присутствующих лишь в виде сле-
дов, может быть в значительной степени облегчено путем применения
ионообменника, ибо в этом случае могут быть избегнуты выпаривание и
концентрирование раствора, требующие затраты значительного времени.
Для этого достаточно только пропустить значительное количество соответ-
ствующей жидкости через ионообменную колонну и после этого снова от-
мыть сорбированные ионы.
Равным образом и при регенерировании ценных химических реакти-
вов в значительной степени оправдалось применение ионообменников. Не-
растворимые соли серебра, например, в тех случаях, когда они применя-
ются для аналитических реакций, могут быть пропущены через водородный
ионообменник* При этом осадки растворяются, и серебро присоединяется
к веществу ионообменника.
Необходимо также упомянуть о применении ионообменников в каче-
стве катализаторов при органических синтезах. Водородные ионообмен-
ники могут всегда функционировать в качестве катализаторов в тех слу-
чаях, когда обычно применяют свободные водородные ионы. Принимая во
внимание, что их можно снова отделить путем обыкновенного фильтрова-
ния, становится ясной их особая ценность при таком применении.
В заключение следует еще указать на применение ионообменников
для разделения весьма близких химических элементов и соединений. Так,
например, с помощью ионообменников удается весьма простое разделение
редкоземельных элементов, трансуранов, а в некоторых случаях даже изо-
топов. Развитие изучения специфических ионообменников, которые способ-
ны сорбировать из смеси ионов преимущественно один какой-нибудь эле-
мент, открывает новые возможности для их применения.
В заключение упомянем еще некоторые даты, которые оказались весь-
ма важными для использования развития этой области химической мето-
446
дики. В 1845 году Томпсону удалось впервые установить ионообмен-
ные явления в почве. В течение долгого времени исследователей занимали
исключительно явления в почве, относящиеся к этим процессам. В то время
казалось, что использование этих явлений выйдет за границы почвоведе-
ния. Лишь в 1910 году ионообменниками стали пользоваться для умягче-
ния воды. Через 25 лет Адамс и Хольме получили искусственные
смоляные ионообменники, которые в настоящее время определенно господ-
ствуют над силикатными ионообменниками. Таким путем началось бурное
развитие методов работы с ионообменниками, которое находится в посту-
пательном движении и в настоящее время.
НАУКА И ПРАКТИКА В ХИМИИ
И эта книга также имеет свое начало и свой конец. Однако, приступая
к последней главе ее, мы должны, наконец, поставить вопрос, упомянуто
ли в этой книге все, что является существенным и чего в ней было
необходимо коснуться. Бросим краткий взгляд назад, на все, что было
здесь описано.
Мы получили из области химии многие различные сведения. Мы уз-
нали о существовании различных веществ, элементов и соединений. Мы
разлагали все эти вещества до их первоначальных структурных «кирпичи-
ков» — атомов и молекул и увидели, что в соединении и разделении этих
структурных «кирпичиков» и заключается сущность химических реакций.
Мы узнали о существовании сил, обусловливающих связывание и раз-
ложение элементов, и законов, по которым протекают эти процессы.
Однако нас занимала не одна только чистая химия. Мы распростра-
нили наши экскурсии и в область практической химии, познакомились с
техническим применением и техническим осуществлением химических ре-
акций. Мы поняли многое, касающееся громадного влияния химии на
нашу жизнь, на народное хозяйство и на культуру.
Часто нам удавалось проследить историческое развитие какого-нибудь
закона или метода, часто мы видели, как камень за камнем, иногда с боль-
шими стараниями и в скрупулезном труде, богатом ошибками и передел-
ками, строилось то могучее здание, какое в настоящее время представляет
собой химическая наука. При этом мы познакомились с деятельностью
выдающихся естествоиспытателей, которые своими трудами оказали ре-
шающее влияние на развитие и прогресс в области химии.
Однако можем ли мы удовлетвориться тем, что будем восхвалять того
или иного выдающегося химика? Не должны ли мы также упомянуть и о
той армии химиков, которые работают в различных производствах и ин-
ститутах и также вносят свои вклады в дело развития химии?
Попробуем посетить такого химика и проследим за ним во время его
работы.
Войдем осторожно и тихо в лабораторию, и мы остановимся восхищен-
ные и удивленные у порога. Перед нами открывается вид на светлое широкое
помещение, посреди которого мы видим большой стол, покрытый израз-
447
цами. Вернее, мы еле видим поверхность стола, ибо он весь заставлен
множеством сверкающих стеклянных колб, реторт, дистилляционных
колонок, склянок, стаканов и трубок, которые при рассматривании
издали кажутся беспорядочно разбросанными на поверхности стола.
Однако при ближайшем рассмотрении они обнаруживают весьма целе-
сообразную систему своего расположения. На одном конце в колбе
бурлит зеленая жидкость, на другом конце из реторты выделяются бурые
пары, которые затем пропускаются по стеклянным трубкам. Повсюду в ком-
нате на подставках или на полу установлены приборы, назначения которых
мы себе не можем даже вообразить. Только красные и зеленые лампочки да
глубокое гудение указывает нам, что они находятся в действии. На стенах
висят высокие шкафы, заполненные посудой и склянками с химическими
реактивами. На многих этикетках этих склянок имеется предостерегаю-
щее изображение черепа с двумя скрещенными костями и надпись «яд».
Скоро мы замечаем и повелителя этого «волшебного царства» — хи-
мика. Он сидит за своим письменным столом в углу помещения. По-види-
мому, он очень занят. В большой спешке он записывает несколько формул
в свою тетрадку. Так ли потечет реакция, как указывают эти формулы?
Только эксперимент даст ответ на этот вопрос. Химик быстро встает, под-
ходит к столу и берет в руки одну из колб, в которой находится красная
искрящаяся жидкость. Уверенной рукой он выбирает с этажерки склянку
и всыпает из этой склянки что-то в колбу. На колбу он надевает дистилля-
ционное приспособление и нагревает ее горелкой Бунзена. Скоро в прием-
ник поступают первые капли красного дистиллята. Испытующе химик
рассматривает на свет стеклянный приемник, и в это время на его лице от-
ражаются напряженное внимание и ожидание. Снова он схватывает какую-
то склянку и выливает из нее в раствор две капли. Раствор тотчас же окра-
шивается в желтый цвет. Осторожно химик опускает колбу и спешно идет
к своему письменному столу, где он еще раз сравнивает результаты опыта
с написанными заранее формулами. Нет сомнения, его предположения ока-
зались правильными. Найдено новое вещество, которое в скором времени
будет изготовляться в больших количествах и принесет в качестве меди-
камента людям исцеление и спасение.
Однако довольно! Закончим эту увлекательную повесть. То, что мы
пережили только что, может послужить частью романа и быть показано на
художественной кинопленке; однако это описание в очень малой степени
совпадает с действительностью. Для действительности не требуется даже со-
блюдения романтического и живописного описания устройства лаборато-
рии. Возможно в конце концов устроить лабораторию так, как это каждый
найдет удобным, и сохранять в ней все же чистоту и блестящий порядок.
Однако существенным является то, что рабочий день химика как на произ-
водстве, так и в исследовательской лаборатории имеет гораздо более скром-
ный вид. Однако, будучи скромным, этот рабочий день отнюдь не стано-
вится благодаря этому скучным. И в этих условиях наш химик должен бу-
дет вносить в свою работу исправления и находить новые методы, однако
они не будут падать, как спелые плоды с древа науки. Уже даже небольшие
448
результаты, будучи объединены в их совокупности, для своего успешного
продвижения часто должны быть обусловлены громадными усилиями,
умением и прилежанием. Они требуют выполнения бесконечного числа экс-
периментов и анализов, требуют способности исчерпывающим образом
использовать достигнутые успехи и находить их связь с уже известными
до того данными. Разумеется, и в этой области счастливая случайность
может в том или ином отношении оказать большую помощь, однако и этот
случай не приходит сам собой, но должен быть вовремя подмечен и пра-
вильно использован.
Как часто самые незначительные мелочи, какое-нибудь ничтожное от-
клонение от ожидаемого и привычного течения реакции подают повод для
какого-нибудь важнейшего открытия. В таких случаях обыкновенно об-
наруживается склонность говорить о случайности или счастливом случае.
Однако при этом совершенно забывают, что многие другие наблюдатели
не придавали совершенно никакого значения этим неправильностям и что
хорошие знания и дар хорошей наблюдательности способствуют тому,
чтобы в таких случаях обратить внимание на какую-нибудь важную ме-
лочь, и что требуется много выдержки и усердия для осуществления
соответствующего исследования, результаты которого являются до поры
до времени совершенно проблематичными. Теперь нам это понятно. Одна-
ко, как обстояло дело раньше, сто или двести лет тому назад? Из тех вре-
мен нам известно значительное число химиков, с которыми мы, по-види-
мому, не можем сравнить никакого из современных ученых. Назовем хотя
бы только имена Лавуазье, Ломоносова, Либиха, Берцелиуса и Фарадея.
Работы этих исследователей были разносторонни и многочисленны; они
оказали величайшее влияние на основы химии. Чем это объясняется? Раз-
ве в то время работали более напряженно, или возможности для работы
были лучше, или знания были в то время обширнее?
На все эти вопросы можно уверенно дать отрицательный ответ. Можно
сказать, что часто дело обстояло как раз наоборот, менее благоприятно
для успеха, чем в настоящее время. Поэтому мы должны искать правиль-
ного ответа на эти вопросы в чем-либо ином. Упомянутые выше исследо-
ватели жили в такие времена, в которые современная научная химия
утверждалась в значительной степени благодаря трудам именно этих
ученых. Химия в то время еще была слабо развитой наукой, и каждый
шаг в этой новой области должен был не только способствовать получению
новых результатов, но работы этих исследователей должны были представ-
лять собой фундамент, который скреплял и поддерживал все здание хими-
ческой науки и техники. В настоящее время дело обстоит совершенно
иначе. За прошедшее с тех пор время химические знания в громадной сте-
пени возросли и утвердились на прочных основах. Этим вовсе не сказано,
что в настоящее время химия уже «отцвела», что в области этой науки уже
не могут возникнуть новые проблемы. Это не так, ибо по мере развития
науки увеличивается также и число еще не разрешенных вопросов. Одна-
ко быстрый рост науки сделал необходимой во все более и более расши-
ряющейся степени специализацию химии и химиков. Если для упомянутых
449
выше химиков еще оказалось возможным охватить всю науку или овладеть
всеми областями химии, то в настоящее время это уже стало для отдель-
ных исследователей невозможным. Химик и исследователь, имея основные
знания, может проводить свою исследовательскую работу только в одной
или нескольких тесно связанных друг с другом специальных отраслях
науки, и только в этих границах он может быть компетентным в
полученных достижениях и проблемах. Следствием этого является то
обстоятельство, что результаты его работы могут распространяться толь-
ко на эти специальные области и поэтому быть известны лишь неболь-
шому кругу его товарищей, стоящих близко к его специальности. Поэто-
му эти результаты могут показаться по сравнению с вопросами общей
химии относительно менее значительными, чем это было ранее. Каждая
проблема сплетается многими перекрестными связями с другими пробле-
мами, так что для разрешения такой проблемы старания одного какого-
нибудь отдельного исследователя оказываются недостаточными. Поэтому
в настоящее время научная работа представляет собой коллективную ра-
боту, совершенно независимо от того, будет ли этот коллектив химиков
функционировать на производстве, или будет ли он образован в централь-
ном исследовательском институте одной какой-либо страны, или даже
работой по разрешению такой проблемы будут сообща заняты исследова-
тели в разных местах земного шара.
Каждый химик уже не может успешно трудиться в своей области, если
он будет замкнут в своей раковине, и только в сотрудничестве со всеми
своими товарищами по специальности на всем земном шаре он сможет до-
стигнуть решающих результатов. Такая совместная работа находит свое
выражение во все более увеличивающемся числе национальных и между-
народных съездов специалистов отдельных отраслей науки. Эти съезды не
только обеспечивают непосредственный обмен мыслями, но, кроме того,
способствуют установлению персональных связей, а вместе с тем взаимо-
понимания между отдельными народами.
Химия является практической наукой, при которой во главу угла
должны быть поставлены опыт и наблюдение. Поэтому она никогда не мо-
жет быть изучена только по книгам, но всегда дополнительно должны быть
привлечены экспериментальные занятия. Гораздо полезнее провести са-
мому один опыт и наблюдать его течение, чем прочитать по книге о прове-
дении десяти опытов. Это требование следует учитывать при изучении хи-
мии. Если до Либиха проведение практических занятий со студентами
можно было считать величайшей редкостью и если лекции профессора со-
стояли главным образом из слов, то в настоящее время в университетах,
высших учебных заведениях и специальных учебных заведениях лекции,
сопровождающиеся демонстрациями опытов, и обширные практические
занятия являются непременными условиями преподавания химии. Осо-
бенно практические занятия представляют собой, несомненно, центр тя-
жести изучения химии. Действительно, студент проводит большую часть
своего рабочего дня в лабораториях для практических занятий. Здесь он
самостоятельно выполняет по установленному плану под руководством
450
ассистента анализы, обнаруживающие все возрастающую степень слож-
ности. Семинары, лекции, самостоятельная работа над книгой и экзамены
расширяют и контролируют теоретические знания студента, а практика
и теоретические знания составляют в процессе обучения неделимое целое
и должны гармонически возрастать в одинаковой степени. Заверше-
нием учебы должна служить самостоятельно выполненная под руковод-
ством профессора научно-исследовательская работа, которая должна быть
защищена химиком при его испытании на право получения диплома.
Соответственным образом должна протекать и подготовка инженера-
химика, технолога в области химии, а также и лаборанта. Во всех случаях
в эту подготовку должна входить также и обширная практическая
часть.
Химические знания содержатся и суммируются в химических книгах
и журналах. Книги по разным отраслям химии существуют почти в не-
ограниченном количестве. Однако все они имеют весьма существенный не-
достаток. Они являются как бы «моментальным снимком» химических
знаний и могут представлять только то состояние науки, которое соответ-
ствует моменту выхода в свет данной книги, или состояния этой науки в
прошлом. Все эти книги являются сравнительно неподвижными в отноше-
нии дальнейшего развития науки, и их содержание может быть приспособ-
лено к этому развитию лишь при новом переиздании книги. Для изучения
основ химии это не играет существенной роли, но для последующего раз-
вития и ознакомления с последними достижениями науки это обстоятель-
ство представляет существенный недостаток.
Поэтому подлинная жизнь химической науки и техники находит свое
отражение в многочисленных химических журналах, которые охватывают
все отдельные области химии. В этих журналах химик может всегда по-
знакомиться по оригинальным статьям, сообщениям, рефератам и обсужде-
ниям как с современным состоянием интересующей его специальной об-
ласти науки, так в общих чертах с обзорами, касающимися развития всей
химии в целом. Это является совершенно необходимым, ибо для всякого
химика стояние на месте знаменует собой попятное движение. Несмотря
на то что в Германии уже существует весьма значительное число химиче-
ских специальных журналов, все же это число еще продолжает бурно воз-
растать. к тому же мы должны учесть также и издающуюся за границей
литературу. Читать их все систематически было бы для одного человека
невыполнимой задачей даже и в том случае, если бы он больше ничем не
занимался. Поэтому в большинстве случаев он ограничивается ознакомле-
нием с краткими рефератами и заметками и только в отдельных случаях
обращается к изучению оригинальных статей.
Разумеется, необходимо, чтобы все появляющиеся во всем мире статьи
были подвергнуты реферированию и регистрации. Эту задачу осуществля-
ют особые реферативные журналы* например издающийся в Германии
«Zentralblatt» и др. Еженедельно появляется объемистый выпуск, в кото-
ром в особо организованном порядке помещаются в немногих словах сведе-
ния обо всех опубликованных за данный период в литературе всего мира
451
оригинальных статьях или приводятся лишь ссылки на соответствующие
статьи. Конечно, подобного рода журнал может лишь ориентировать чи-
тателя относительно содержания упоминаемой в нем статьи, но именно
вследствие полноты приводимых в нем ссылок он является необходимым.
Ответим в заключение еще на один вопрос. Сумели ли мы на протяже-
нии наших «экскурсий в царство химии» познакомиться хотя бы с ее очер-
таниями? То, что на страницах этой книги невозможно было нарисовать
подробную картину этой науки, это было очевидно и без особых пояснений,
и таких попыток и не могло возникнуть у автора. Но и на этот вопрос мы
должны дать отрицательный ответ. Мы ведь пытались ставить вопросы
лишь из области общей и неорганической химии, и при этом в нашем изло-
жении осталась совершенно неосвещенной широкая, многосторонняя и ин-
тересная область органических соединений.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора русского перевода.................... 3
Предисловие автора......................................... 5
Беседа в вагоне поезда..................................... 7
Сначала было вещество..................................
Что такое элементы?........................................ 18
Об атомах и молекулах...................................... 23
Еще немного теории......................................... 33
Среди химических элементов................................. 41
Не бойтесь химических формул!.............................. 51
«Воздушная глава»......................................... 58
Беседа о свече........................................... 57
И вода имеет свои проблемы................................. 81
Порядок среди элементов................................... 93
В недрах вещества......................................... ЮЗ
Кислоты, основания, соли................................... 118
Лучистые вещества.......................................... 136
О «камне мудрецов» . ...................................... 159
Стекло..................................................... 176
Сода...................................................... 193
Большие результаты присутствия малых количеств вещества . 203
Серная кислота............................................ 212
От представления о скорости реакции к установлению закона
действия масс........................................... 225
Соль становится хлебом.................................... 238
Аммиак и азотная кислота из воздуха .................... 256
Юстус Либих............................................... 276
453
О степени кислотности и о том, что с нею связано............ 285
От руды к чугуну............................................ 304
От чугуна к стали........................................... 322
Химия и электричество....................................... 337
Практический электролиз................................... 346
Электрический ток из металлов............................... 360
Михаил Фарадей.............................................. 372
Что такое коллоиды? ...................................... 377
Сущность фотографического процесса......................... 396
Известь в природе и технике............................... 412
Разнообразное применение кремния........................... 427
Ионообменники............................................ 437
Наука и практика в химии................................... 447
Зигмар Ш nay с ус
ПУТЕШЕСТВИЕ В МИР ХИМИИ
Редактор К. Я. Парменов
Оформление художника С, Я. Нодельмана
Художественный редактор Б. М. Кисин
Технический редактор Н. Я. Махова
Корректор В. А. Глебова
♦ • ♦
Сдано в набор 23/VII 1958 года. Подписано
к печати 27/1 1959 г. 70Х92'/1б. 28,5 (33,35) п.л.
Уч.-изд. л. 31,75. Тираж 25 тыс.экз.А 01509.
* * ♦
Учпедгиз. Москва, 3-Й проезд Марьиной рощи, 41.
Заказ Ка 297.
Типография издательства «Уральский рабочий»,
г. Свердловск, ул. имени Ленина, 49.
Цена без переплета 7 р. 95 к.
Переплет 1р. 50 к.