НО-ПОПУЛЯРНАЯ
БЛИОТЕКА
Проср. А М.РУБИНШТЕЙН
1
siKtyr ас
)
1
)
i
vl ^

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
Проф. А. М. РУБИНШТЕЙН
ХИМИЯ
ВОКРУГ НАС
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 19 5 0 ЛЕНИНГРАД

16-2-1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1. В мире веществ 4
2. Воздух 25
3. Горение и окисление 28
4. О воде 35
5. Руда и топливо 47
6. Пища и питание 53
Заключение 62
Редакторы Л. И. Суслова и В. М. Дуков. Техн. редактор М. Д. Суховцева.
Подписано к печати 15/111 1950 г. 4 печ. л. 3,54 уч.-изд. л. 35408 типогр. зн.
в печ. л. Тираж 200 000 экз. Т 00252. Цена книги 1 р. 5 к. Заказ № 2197.
3-я типография «Красный пролетарий» Главполиграфиздата чпри Совете
Министров СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.

ВВЕДЕНИЕ
Великий преобразователь природы И. В. Мичурин
говорил: «Мы не можем ждать милостей от природы:
взять их у неё — наша задача».
В этих словах — глубокая правда. Ведь вся история
человечества пронизана борьбой человека с природой,
в которой он отвоёвывает у неё новые и новые блага —
всё то, что необходимо для существования и развития
человеческого общества. А потребности человека велики:
ему нужны и продукты питания, и строительные
материалы, сырьё для разнообразных отраслей
промышленности, топливо и другие источники энергии. Поэтому
слова И. В. Мичурина справедливы во всех областях
науки и техники.
Как же получилось, что человек, тысячелетия назад
вооружённый лишь куском камня, подчинил себе сушу,
воду и воздух? Как он победил природу, заставил её
служить ему?
Путь к этому был труден и длинен. Постоянно
сталкиваясь с различными явлениями природы, человек
изучал их, открывал законы природы, учился их
использовать в борьбе с природой. Знание, наука — вот то оружие,
которым человек побеждал природу прежде и
продолжает побеждать её теперь. Это оружие не притупляется.
Наоборот, оно всё больше и больше оттачивается и
закаляется со временем. Науки совершенствуются,
развиваются. Они всё более полно охватывают различные
стороны природы и жизни человеческого общества.
Наука пристально следит за тем, что происходит
вокруг нас. Задача науки — не просто «зарегистрировать»
3

факт. Каждое новое явление подвергается внимательному
изучению. Учёные находят, как это явление связано с
другими, уже известными явлениями, какими причинами
оно вызывается, по каким законам происходит.
Наша книжка затрагивает одну область науки —
химию. Химия устанавливает, из каких материалов и
каких веществ состоят все тела природы — живая клетка
и минерал, газы, жидкости и твёрдые тела. Все отрасли
производства, все естественные науки имеют дело с
веществами. Изучая вещества и их превращения, химия
помогает нам взять у природы всё необходимое для
народного хозяйства.
Множество явлений природы и производственных
процессов связано с химическими изменениями вещества.
О некоторых из них и рассказано в этой книжке.
Разберёмся сначала в том, как построены вещества,
как и по каким законам протекает «жизнь» веществ —
их превращения. Этому посвящен первый раздел книжки.
1. В МИРЕ ВЕЩЕСТВ
олекула — кирпичик вещества. РаздавИхМ в ступке кри-
сталик сахара. Он распадётся на множество мелких
крупинок. Если мы станем растирать их, то каждая из
них, в свою очередь, будет измельчаться всё больше и
больше, пока не получится тончайшая сахарная пудра.
Где же граница измельчения кристалика? Каковы самые
мельчайшие частички сахара, которые ещё будут
обладать таким же составом и свойствами, как и кристалик?
Эти частички — молекулы. Но ступка — слишком грубое
орудие для того, чтобы достигнуть этой границы. Более
совершенным орудием оказывается вода: при
растворении сахара в воде каждая его крупинка легко дробится
на тысячи более мелких, на молекулы. Такое же
дробление происходит и при испарении различных веществ.
Молекулы настолько малы, что их не удаётся увидеть
даже в самые сильные микроскопы. Однако учёные
сумели установить, что размеры этих «кирпичиков» для
разных веществ сильно отличаются друг от друга. Как
правило, чем сложнее вещество, тем больше размер
молекул, которые его составляют. Любой образец какого
угодно чистого (т. е. не содержащего примесей) вещества
состоит из громадного числа совершенно одина-
4

ковых молекул. Поэтому чистое вещество всегда
однородно.
Есть ли в природе явления, показывающие, что
вещества состоят из молекул? Да, есть. И прежде всего это
явления, связанные с движением молекул. Мы знаем,
например, что вода существует в трёх состояниях: в виде
льда, в виде жидкости и в виде пара. Однако состав её
одинаков во всех этих трёх состояниях. Различия в
свойствах воды, льда и пара зависят от того, насколько тесно
примыкают друг к другу отдельные молекулы воды и
насколько они подвижны*).
Существуют ли частицы меньшие, чем молекулы?
Изучая поведение веществ в различных условиях, химики
установили, что и сами молекулы сложны.
Есть вещество, которое называется окисью ртути. Это
красный порошок. Если мы станем нагревать окись ртути,
то она разрушается, выделяя металл ртуть и газ
кислород. Так как окись ртути однородна, — она не смешана
ни со ртутью, ни с кислородом, и все её молекулы
совершенно одинаковы, — то образование из неё двух новых
веществ можно объяснить только тем, что при нагревании
происходит разрушение самих молекул. Но ведь это
значит, что молекулы окиси ртути состоят из более мелких
частиц, из частиц кислорода и ртути! Окись ртути не
является каким-либо исключением. Молекулы всех
веществ состоят из более мелких частиц. Эти составные
частицы молекул называют атомами.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и
одного атома кислорода, молекула кислорода — из двух
атомов кислорода и т. д.
Атомы в молекулах связаны между собой несравненно
более прочно, чем молекулы друг с другом.
Подтверждается это хотя бы тем, что, например, разделение
молекулы воды на атомы водорода и кислорода требует
затраты во много раз большего количества тепла
(нагревание до 1000 градусов), чем разрушение кристалла льда
(нагревание чуть выше 0 градусов).
Чем отличаются простые вещества от сложных? Все
вещества, из которых тем или иным путём можно
получить более простые, считаются сложными. Сложных
*) Подробнее о движении молекул см. брошюру
Научно-популярной библиотеки Гсстехиздата: Б. Б. Кудрявцев «Движение
молекул»,
5

веществ в настоящее время известно уже более двух
миллионов; Вода, поваренная соль, стекло, спирт, сахар,
яичный белок — всё это вещества сложные. Но
существуют вещества, которые не разлагаются на более
простые. Таких веществ нам известно около ста. Их назвали
простыми веществами. Кислород, водород, сера,
железо, ртуть, медь, золото — всё это простые вещества.
Из простых веществ и построены все сложные вещества.
Зная, что молекулы состоят из атомов, можно вполне
точно указать, чём простые вещества отличаются от
сложных. Особенность простых веществ заключается в
том, что молекулы каждого из них построены из
одинаковых атомов. Например, молекула хлора
построена из двух атомов:
атом хлора + атом хлора=молекула хлора.
При разложении молекулы хлора ничего, кроме атомов
хлора, получить нельзя. Это простое вещество.
Молекулы же сложных веществ всегда построены из
разных атомов. Так, молекула поваренной соли
состоит из двух разных атомов:
атом натрия + атом хлора=молекула поваренной соли.
Это наиболее простой пример молекулы сложного
вещества. В большинстве случаев состав молекул более
сложен. Так, в молекуле железной окалины 7 атомов,
молекула сахара построена из 45, а молекула вещества,
составляющего большую часть говяжьего сала, — из
173 атомов. Есть и такие молекулы, которые построены
из нескольких тысяч атомов; таковы молекулы яичного
белка, каучука и т. д.
По свойствам простые вещества можно разделить на
две большие группы — на металлы и неметаллы. К
металлам относится большая часть простых веществ.
Металлы — натрий, кальций, хром, медь, железо, никель и все
другие — отличаются от неметаллов по внешнему виду,
блеском. Металлы ковки, хорошо проводят
электрический ток и тепло.
Неметаллы — кислород, азот, углерод, сера, фосфор,
хлор и др. — разнородны по внешнему виду. Они не
ковки. Большинство из них плохо проводит ток и тепло.
Металлы и неметаллы отличаются друг от друга и по
своим химическим свойствам (об этом мы подробно
расскажем в четвёртом разделе).
6

Как в химии обозначаются атомы и молекулы?
Молекулы разных веществ отличаются друг от друга по «сор-
тахМ» образующих их атомов. Так, молекулы поваренной
соли содержат совершенно другие сорта атомов, чем
молекулы воды. Сахар и жир состоят из трёх «сортов»
атомов — углерода, водорода и кислорода. В яичном белке
к этим трём сортам добавляются атомы азота, фосфора,
серы. Все это — атомы простых веществ. Войдя в состав
алюминий 7%
\ железо 5%
1 кальций 4%
ZJ натрий 2%
^7 калий 2%
7 маений 2%
1 водород 1 %
все остальные
элементы в сумме 2%
Рис. 1. Распределение элементов на Земле.
молекулы, они перестают быть «простыми веществами»,
они становятся составными частями молекулы,
образующими её элементами.
В природе элементы распространены не равномерно.
Это показано на рисунке 1 (проценты указаны
приближённо). Около половины вещества земной коры с её
водами и атмосферой составляет кислород. Он входит в
состав воды и почти всех пород земной коры. Второе
место занимает кремний. Он входит в состав песка, глин и
многих других пород. Остальные элементы встречаются
в природе реже и в меньших количествах.
Каждый элемент, а значит, и каждый сорт атомов
имеет своё латинское название (названия многим
элементам давались в то время, когда научным языком был
исключительно латинский) и «символ»—сокращённое
обозначение.
7

Укажем, как читаются символы важнейших элементов:
Русское название
элемента
| Водород
! Кислор'од
; Сера
! Азот
Фосфор
Хлор
Натрий
! Железо
Цинк
Латинское
название элемента
Гидрогениум
Оксигениум
Сульфур
Нитрогениум
Фосфорус
Хлорум
Н атриум
Феррум
Цинкум
Символ
элемента
Н
О
S
N
Р
С1
Na
Fe
Zn
Как читается
символ
аш
0
эс
эй
пэ
хлор
натрий
феррум
цинк
Символами пользуются для написания формул
различных веществ, показывающих, из каких сортов атомов
состоит молекула вещества. Формула «изображает»
молекулу. Формула молекулы поваренной соли — NaCl
(натрий хлор) показывает, что она состоит из атома
натрия и атома хлора. NH3 (эн аш три) — формула
молекулы аммиака.
Мы уже знаем, что простое вещество всегда содержит
один элемент, а сложное — всегда несколько. Очень
важно знать не только элементарный состав вещества,
но и соотношения в нём отдельных элементов. Возьмём,
например, воду и перекись водорода. И та и другая
состоят из водорода и кислорода. В молекуле воды есть два
атома водорода и один атом кислорода (Н20), а в
молекуле перекиси водорода—два атома водорода и два
атома кислорода (Н202). Количественные соотношения
между атомами здесь различны, различны и свойства
этих веществ. Молекулы сахара и жира также состоят
из одних и тех же элементов: углерода, водорода и
кислорода, и также отличаются числом атомов этих элементов
в молекуле.
Химики стремятся узнать и расположение атомов в
молекуле, то-есть строение молекулы. Это важно потому,
что, как показал крупнейший русский химик А. М.
Бутлеров, химические свойства вещества зависят и от того,
в каком порядке атомы расположены в молекуле.
Смеси веществ и химические соединения. Мы уже
знаем, что чистое вещество однородно: все его частички
имеют одинаковый состав. Например, все молекулы же-
8

леза одинаковы, также одинаковы и все молекулы серы.
Если мы смешаем мелкие железные опилки с порошком
серы («серным цветом»), то образуется смесь, в
которой имеются отдельные частички железа и частички серы,
не связанные химически между собой. Это легко доказать.
Насыплем немного нашей смеси на лист бумаги и
поднесём близко к ней магнит. Частички железа притянутся
к магниту, а сера останется на бумаге. Можно поступить
и иначе, например, внести смесь серы и железа в жидкое
вещество — сероуглерод. Сероуглерод легко растворит
находящуюся в смеси серу, а железо останется в осадке.
Сера, находясь в смеси с железом, не мешает его
частичкам притягиваться к магниту. В свою очередь,
частички железа не препятствуют частичкам серы
растворяться в сероуглероде. Таким образом, каждое
вещество проявляет в смеси свои собственные
свойства. Смеси можно приготовлять в любых
соотношениях. Можно взять 1 грамм серы и 10 граммов
железа, но можно составить смесь и из 10 граммов серы
и 1 грамма железа. Значит, смеси не имеют
постоянного состава. Смесь серы и железа
неоднородна. Но бывают и однородные смеси — растворы. О них
мы подробнее расскажем дальше.
Проделаем теперь со смесью серы и железа такой
опыт. Насыплем смесь в пробирку и подогреем немного
её донышко. Дальше вся смесь сама нагреется до
красного каления, а затем постепенно застынет в тёмргую
твёрдую пористую массу. Теперь попытки разделить
железо и серу из этой массы магнитом или растворением
ни к чему не приведут — при нагревании произошло
химическое превращение, реакция, и из серы и железа
мы получили новое сложное вещество—сернистое
железо-. Оно не имеет сходства ни с железом, ни с серой.
Это показывает, что при химических реакциях свойства
веществ изменяются.
При образовании химического соединения произвол в
отношении состава уже недопустим. Химическое
соединение имеет постоянный состав —
ею молекулы состоят из определённого числа атомое.
Схема основных типов веществ показана на рисунке 2.
Атомные веса. Атомы разных элементов не одинаковы:
они отличаются друг от друга прежде всего весом. Атомы
и молекулы — чрезвычайно малые частицы. Например,
9

в одном грамме воды содержатся миллиарды миллиардов
молекул. Поэтому и веса отдельных атомов и молекул
очень малы. Но для химика нет необходимости знать,
сколько весит каждый атом или каждая молекула — ведь
он всегда имеет дело с громадными количествами
молекул. Он должен знать, во сколько раз одна молекула
тяжелее или легче другой, знать сравнительные или, как
говорят, относительные веса атомов и молекул. Для
Неоднородные
вещества
Смеси
Растворы-
однородные смеси
Однородные
вещества
Химические
соединения
(в молекуле атомы
разных сортов)
Простые
вещества
(в молекуле атомы
одного сорта)
Рис. 2. Основные типы веществ.
сравнения в химии принят атом кислорода. Сравнивая вес
атома кислорода, принятый за 16, с весами атомов
всех других элементов, химики рассчитали относительные
веса всех атомов. Атом водорода весит почти в 16 раз
меньше, чем атом кислорода — его атомный вес равен
1,008, это самый лёгкий атом. Атомный вес кремния
равен 28,06, железа — 55,85 (атомные веса всех элементов
указаны на рис. 3).
Зная относительные, атомные веса элементов, мы
можем вычислить относительный вес любой молекулы —
молекулярный вес. Рассчитаем, например,
молекулярный вес воды Н20: два атома водорода весят
1,008X2=2,016, атом кислорода — 16, молекулярный вес
10

воды 2,016+16=18,016; молекула воды в 18 раз тяжелее
Vie атома кислорода.
Чем же помогают нам эти относительные веса атомов
и молекул? А вот чем. Если мы возьмём при одинаковых
условиях 14,008 грамма азота (атомный вес его равен
14,008 и 1,008 грамма водорода (атомный вес
водорода—1,008), то можем быть уверены, что и в 14,008
грамма азота, ив 1,008 грамма водорода содержится
одно и то же количество атомов! Число граммов элемента,
равное его атомному весу, называют г р а м м-а т о м о м,
а число граммов сложного вещества, равное его
молекулярному весу — г р а м м-м олекулой. И если нам
требуется, например, получить аммиак из азота и водорода,
то мы можем точно рассчитать, сколько граммов обоих
газов нужно взять для получения того или другого
количества аммиака, так как 1 грамм-атом азота, соединяясь
с 3 грамм-атомами водорода, даёт ровно 1
грамм-молекулу аммиака. Такие расчёты очень важны для всех
химических производств.
Жизнь в мире веществ. В мире веществ идёт своя
многообразная и интересная жизнь. Эта жизнь —
химические реакции, во время которых молекулы
перестраиваются, составляющие их атомы группируются в новые
молекулы, образуются новые вещества. В природе
непрерывно происходят такие превращения. Появление осенней
окраски листьев, накопление сахара в свёкле или
крахмала в картофеле, образование болотного газа из
разлагающихся под водой растений, разрушение горных
пород под действием тепла, воды и воздуха — всё это
явления природы, в которых происходят химические
изменения вещества, проявляется их «жизнь».
Существует множество типов химических реакций. Вот
самые главные из них:
1. Реакции соединения: два или несколько
веществ образуют одно новое вещество. Образование
ржавчины на железных предметах в присутствии влаги,
появление белого налёта на алюминиевых изделиях,
горение угля — всё это реакции соединения с кислородом.
2. Реакции разложения: одно вещество даёт
два или несколько веществ. Мел при сильном
нагревании разлагается на известь и углекислый газ. Питьевая
сода, брошенная в кипяток, разлагается на углекислый
газ и стиральную соду. Ляпис (азотнокислое серебро),
11

применяемый в медицине для «прижигания», легко
разлагается на свету. При этом из него выделяется
металлическое серебро (поэтому и образуется чёрное пятно на
смазанном ляписом участке кожи). Другие продукты
разложения ляписа — газообразные; мы их обычно не
замечаем, но химическими способами их можно обнаружить.
3. Реакции вытеснения: одно простое и одно
сложное вещество образуют одно простое и одно сложное
вещество, но уже другого состава. В качестве примера
такой реакции опишем опыт, выполнить который очень
просто. Возьмём несколько синих кристаликов медного
купороса и растворим их в воде. Опустим в полученный
голубой раствор обыкновенный гвоздь. Через некоторое
время мы заметим, что гвоздь покрылся бурым налётом
меди, а раствор стал менее голубым или даже совсем
бесцветным. Это происходит потому, что железо, из
которого состоит гвоздь, вытеснило медь из купороса
и само встало на её место:
железо+медный купорос=железный купорос+медь.
А вот ещё один пример: перед пайкой оловом металл
смазывают «травленой» соляной кислотой. Кислоту
«травят» цинком. Цинк растворяется в кислоте, вытесняя из
неё водород. Хотя кислоту для этого и не подогревают,
она «кипит» — из раствора выделяются пузырьки газа
водорода.
4. Реакции двойного обмена, как
показывает само их название, состоят в том, что молекулы двух
сложных веществ обмениваются своими атомами и
образуют два новых тоже сложных вещества. Та.кой обмен
происходит, например, при получении горючего газа —
ацетилена, необходимого при автогенной сварке.
Ацетилен получается из соединения кальция с углеродом
(карбида кальция) и воды:
карбид кальция + вода = окись кальция -f ацетилен
| кальций| | кислород |
| углерод | углерод | | водород | водород I
кальций I
кислород|
1 углерод
1 водород
углерод
водород
Материя вечна. Химические реакции заключаются в
изменении состава и строения молекул; при этом атомы
как химически неделимые частицы не разрушаются и
не образуются вновь. Они только переходят из состава
одной молекулы в состав другой. Продукты любой
12

химической реакции содержат ровно столько атомов,
сколько их было в веществах, взятых для реакции, и вес
продуктов реакции в точности равен весу веществ, из
которых О'ни получены.
На сжигание 12 граммов углерода расходуется
32 грамма кислорода. Значит, в реакции участвует
44 грамма веществ. И продукта реакции, углекислого
Основоположник химической науки М. В. Ломоносов
(родился в 1711 году, умер в 1765 году).
газа, получается тоже 44 грамма. Если мы возьмём
216,6 грамма окиси ртути и разложим её нагреванием,
то получим 200,6 грамма ртути и 16 граммов кислорода,
то-есть всего вместе 216,6 грамма:
Значит, несмотря на то, что вещества способны к
различным превращениям, материя вечна: она не
творится вновь и не исчезает. Меняются лишь её форм ы.
Этот важнейший закон природы был установлен в
1748 году основоположником химической науки
Михаилом Васильевичем Ломоносовым. Великий русский учёный
изложил его так: «Все изменения, случающиеся в
природе, происходят так, что если что-либо прибавится к
13

чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого.
Так сколько к какому-нибудь телу присоединится
материи, столько же отнимется у другого».
Ломоносов опытным путём показал, что при
химических реакциях количество вещества остаётся
неизменным. Этот закон сохранения вещества
является одним из основных законов природы.
Химическая реакция не всегда возможна. Химические
превращения идут только при определённых,
благоприятных условиях. Иногда для этого достаточно простого
соприкосновения молекул. Металл натрий никогда не
хранят на воздухе — он очень быстро соединяется с
кислородом. Если бросить кусочек натрия в воду — сразу же
начинается реакция: натрий вытесняет водород из воды.
Щёлочь (едкий натр) легко поглощает углекислый газ
и превращается в соду.
Многие реакции в обычных условиях не идуг. Однако
их легко вызвать, изменяя условия. Например, в смеси
рудничного или светильного газа метана (СН4) с
воздухом ежесекундно сталкиваются миллиарды молекул
метана и кислорода, но реакция между ними не происходит.
Но достаточно искры (т. е. сильного нагревания только
в одном месте), чтобы смесь мгновенно взорвалась.
Порох может сохраняться сколько угодно долго. Но от
удара или огня он взрывается. Мы можем смешать сухую
питьевую соду с кристаллами лимонной кислоты и они не
будут реагировать. Но стоит только их бросить в воду
(как это делают любители газированной воды), как между
ними сейчас же начнётся реакция, которую мы заметим
по выделяющимся с шипением пузырькам углекислого
газа. Только при высокой температуре песок, глина и
известь соединяются друг с другом и образуют стекло,
выделяется из руды железо.
Есть вещества «индиферентные», безразличные друг
к другу. Так, винный спирт и вода только смешиваются
друг с другом, но никаких новых веществ не образуют.
Подобным же образом ведут себя сахар и поваренная
соль. Существуют и такие вещества, которые вообще не
вступают ни в какие реакции. Это инертные газы — гелий,
неон и др.
Закон Менделеева — основной закон химии. Для того
чтобы предвидеть возможность или невозможность хими-
14

ческой реакции между какими-либо веществами, необхо-»
димо было привести в строгую систему все элементы и
найти закономерности в изменении их свойств. Эту задачу
разрешил великий русский химик Дмитрий Иванович
Менделеев. Он открыл «периодический закон». Этот закон
гласит: «Свойства элементов (а следовательно, и
образованных ими простых и сложных тел) находятся в
периодической зависимости от их атомных весов». Считая,
что химический характер каждого элемента зависит от его
атомного веса, Д. И. Менделеев расположил все
элементы в порядке возрастания их атомных весов и построил
свою знаменитую таблицу элементов.
На рисунке 3 изображена периодическая таблица
элементов в её современном виде. Отметим самые главные
черты этой таблицы.
В таблице имеется 9 вертикальных столбцов—г р у п п
элементов, от нулевой до восьмой. Все элементы
каждой группы, несмотря на различия в атомных весах,
имеют сходные важнейшие химические свойства.
Например, все элементы одной и той же группы образуют
однотипные окислы, то-есть соединения с кислородом.
Элементы первой группы дают окислы, в которых на один
атом кислорода приходится два атома металла (NasO,
К2О). Элементы второй группы образуют уже другие
окислы, — в них один атом кислорода соединён с одним
атомом металла (CaO, ZnO), и т. д.
Если рассматривать таблицу по горизонтальным
рядам, начав, например, с лития (Li), то можно заметить,
что каждый ряд включает элементы, разные по свойствам:
начинается он элементом с ярко выраженными
металлическими свойствами (литий), а кончается типичным
неметаллом (фтор F) и инертным газом (неон Ne). Затем
снова идёт типичный металл (натрий Na) и т. д. Такие
ряды различных по свойствам элементов составляют
периоды таблицы (отсюда название закона и таблицы) в
Когда Д. И. Менделеев строил свою таблицу (1869—
1871 года), многие элементы были ещё не известны.
Великий учёный оставил для них в своей таблице пустые
клетки и, пользуясь периодической зависимостью свойств
элементов от их атомных весов, гениально предсказал
свойства никому не известных элементов. Когда
впоследствии эти элементы были открыты, оказалось, что они
действительно имеют предсказанные Менделеевым свойства!
15

^whmwwiI i г IiimH—ЛтшшаШвш lW mnn i i ■ wimhimiih—h wumi mmiirf» и ними ш imi^m^Mw '"■
j ПЕРИОДЫ
1
2
3
4
5
6
7
ГРУППЫ
1 I
Li з
Литий
6,940 !
Na "
Натрий
22,99
К 19
39,096
29 Cu
Медь
63,57
I Rb 37
Рубидий
85,48.
47 Ag
Серебро
.... Ю7,88
CS 55
132,91
79 Ди
Золото
197,2
Fr 87
Франции
223
Hiu i nil iiiinOn w
II I
Be ^
Бериллий
9,02 1
Mg i2 !
Магний
24,32
Ca 20
Иальций
40,08
so Zn
Цинк
65,38
Sr 38
Стронций
87,63
48 Cd
Кадмий
112,41
1 Ba 56
137,36
во Hg
Ртуть
200,61
Ra 88
226,05
III I
5 В
Бор
10,82
13 A|
Алюминий
26,97
SC 21
Скандий
45,10
si Ga
Галлий
69,72
Y 39
Иттрий
88,92
j 49 In
Индий
114,76
i La 57*
Лантан
138,92
81 J!
Талл/иш
204,39
Ac 89**
Актиний
1 227,05
IV
6 С
Углерод
12,010
14 Si
Кремний
28,06
Ti 22
Титан
47,90
32 Ge
Германий
72,60
Zr 40
Цирконий
91,22
50 Sn
Олово
118,70
Hf 72
Гафний
178,6
1 82 Pb
Свинец
207,21
(Th) 90
Торги/
V |
7 N
14,008
15 P
Фосфор
30,98
V 23
Ванадий
50,95
зз As
Мышьяк
1 74,91
I Mb 41
Ниобий
92,91
51 Sb
Сурьма
121,76
Та 7з
Тантал
180,88
83 Bi
Виамут
209,00
(Pa) 91
Рротактити'
*ЛАНТАНИДЫ
рСе 58""
Церий
140,13
ТЬ 65
j Тербий
\ 159,2
РГ 59
Празеодим
140,92
Dy 66
Диспрозий
162,46
Nd 60
Неодим
144.27
НО 67
Гольмий
164,94
Рт 61
Прометий
Ег 68
Эрбий
167,2
Sm 62
Самарий
150,43
TU 69
Туллцц
169*4
АКТИНИДЫ
" Th 90
Торий
232,12
Ра 91
Промютиний
231
U 92
Уран
238,07
Np 93
Нептуний
Pu 94
Плутоний
16
Рис. 3. Периодическая таблица

"элементов
! VI
з о
Гислород
| 16,0000
15 S
Сера
| 32,06
СГ 24
Хром
| 52,01
34 Se
Селен
73,96
(Ио 42
Молибден
95,95
52 Те
Теллур
| 127,81
W 74
Вольфрам
1 183,92
84 Ро
Полоний
210
(U) 92
VII
1 И
Водород
1,008
9 F
Фтор
19,00
17 01
Хлор
35,457
№п 25
Марганец
54,93
35 Вг
Бром
79,916
ТС 43
Технеций
99
53 j
Иод
126,92
Re 75
Рений
186,31
85 At
Астатин
211
VIII
Fe 26
Железо
55,85
СО 27
ft о бал ът
58,94
Ni 28
Ни и ель
58,69
RU 44
Рутений
101,7
Rh 45
Родий
102,91
Pd 46
Палладий
106,7
OS 75
Осмий
190,2
|Г 77
Иридий
193,1
Pt 78
Платина
195,23
О I
Не 2
Гелий
4,003 I
Ne ю |
Неон
20,183
кг 18
Аргон
39,944
Кг 36 j
Криптон
83,7 1
Хе 54
Ксенон
131,3 i
}
Rn ее
Радон
222
Г~ Fe
Железо
1 атомный номер
| атомный вес
1 ад/сло электронов
[ уг/&/70 протонов
\иислонейтронов
"" "" "—j'
26
55,85
26
26
30 _ ]
Eu "вз"
teconuu
152,6
| Yb 70
Иттербий
j 173Д?4
Gd 64 I
Гадолиний
158,9 |
Lu 7i
Лютеций
174,99
■eta
Am 95
Америций
Cm 96
Кюрий
элементов Д. И. Менделеева
2 А. М. Рубинштейн

Это показало, каким мощным орудием познания при-*
роды явился периодический закон. Он оказал громадное
влияние на последующее развитие химии.
Как построены атомы и почему они ведут себя по-
разному? В дальнейшем учёные раскрыли глубокий смысл
периодического закона Менделеева.
Великий русский учёный Д. И. Менделеев
(родился в 1834 году, умер в 1907 году).
Мы уже говорили, что атом нельзя разрушить
никакими химическими способами. Однако физическими
способами удалось это сделать, и оказалось, что сами атомы —
очень сложные частицы. Физики открыли несколько типов
частиц, составляющих акшы: электрон — частицу,
несущую отрицательный заряд (его масса в 1840 раз
меньше массы атома водорода); протон —
положительно заряженную частицу с массой, равной массе атома
водорода, и нейтрон — частицу с массой, равной массе
протона, но не имеющую электрического заряда.
По своему строению атомы напоминают солнечную
систему. В центре атома находится ядро. Оно состоит из
18

протонов и нейтронов, как это установил советский
учёный Д. Д. Иваненко. Ядро атома заряжено положительно.
Вокруг ядра с громадной скоростью вращаются
электроны. Они сгруппированы на различных от ядра
расстояниях в слои или «оболочки» (см. рис. 4). Так как число
протонов в ядре и число окружающих ядро электронов
равны, атом в целом электрически нейтрален.
Атомы различных элементов отличаются по числу
обраеующих их протонов, нейтронов и электронов. И вот
что замечательно: оказывается, что порядковый, атомный
номер каждого элемента в таблице соответствует числу
электронов, обращающихся вокруг ядра. Имея перед
глазами таблицу Менделеева, можно очень просто
рассчитать, сколько каких частиц имеется в любом атоме.
Возьмём, например, элемент гелий. Его порядковый
номер равен 2. Это значит, что вокруг ядра атома гелия
обращается 2 электрона. Но столько же протонов должно
быть и в ядре — ведь каждый атом электрически
нейтрален. А сколько в ядре нейтронов? Узнать это нам
поможет атомный вес гелия. Он равен 4, — атом гелия
в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны имеют
ничтожную массу, и ими в нашем расчёте можно
пренебречь. Значит, в ядре должно находиться 4 частицы с
массой, равной массе водорода, 4 протона и нейтрона.
Число протонов нам уже известно, их два; следовательно,
в ядре атома гелия два нейтрона.
Такими же простыми расчётами можно установить
состав любого другого атома.
Теперь познакомимся поближе с электронной
оболочкой атома.
Опыты с заряженными телами показывают, что сила,
с которой один заряд действует на другой, быстро
уменьшается при увеличении расстояния между ними. Значит,
и заряд ядра действует на электроны тем сильнее, чем
они к нему ближе. Чем дальше находится электрон, тем
меньше он притягивается ядром. Кроме того, влияние
ядра на удалённые от него электроны ослабляется более
близкими электронами. Слабее всего ядро действует на
наиболее удалённую от него, внешнюю электронную
оболочку. Электроны этой оболочки наиболее подвижны:
они могут отрываться от ядра и частично или полностью
переходить «во владение» ядра атома другого элемента.
Это и происходит при химическом соединении атомов.
2*
19

В каждую группу периодической таблицы попадают
элементы с одинаковым числом электронов на
внешней оболочке атома: у водорода, лития и других
элементов I группы во внешней оболочке находится только
1 электрон, у элементов II группы — 2, у элементов
Атом натрия Атом ХЛ0Ра
Молекула поваренной соли
Рис 4. Строение атомов и образование соединения
путём передачи электрона одним атомом другому.
III группы — 3 и т. д. А так как в химических реакциях
участвуют только внешние электроны, сходство
элементов одной и той же группы становится вполне понятным.
У гелия имеется только одна оболочка с двумя
электронами. У неона и всех остальных элементов нулевой
группы внешняя оболочка содержит 8 электронов. Все
эти элементы не способны к химическим реакциям, и мы
вправе заключить поэтому, что восьмиэлектронная
оболочка наиболее устойчива.
20

Интересно, что химические реакции протекают так,
что атомы, отдавая свои электроны другим атомам или,
наоборот, захватывая их электроны, стремятся приобрести
именно такую восьмиэлектронную оболочку. Посмотрим,
например, как атомы натрия и хлора соединяются в
молекулу поваренной соли (рис. 4). Атом натрия имеет
11 электронов. Они расположены в трёх оболочках.
Внутренняя оболочка содержит 2 электрона, средняя — 8 и
Атом кислорода
Молекула воды
Рис. 5. Второй способ связи атомов
в молекулах—образование электронных пар.
внешняя только 1 электрон. При химическом соединении
натрия с хлором атом натрия отдаёт один электрон из
внешней оболочки атому хлора. Тогда его средняя, вось-
миэлектронная оболочка становится внешней. Атом хлора,
принимая один электрон, достраивает свою внешнюю
оболочку до восьмиэлектронной. Таким образом, атом
натрия оказывается заряженным положительно, а атом
хлора приобретает отрицательный заряд. Оба они
притягиваются друг к другу и образуют прочную
электрически нейтральную молекулу поваренной соли.
Вообще атомы металлов легко отдают, а атомы
неметаллов — захватывают электроны. Зная это, легко
предвидеть, как будет взаимодействовать металл с неметаллом.
21

Мы разобрали случай, в котором электрон полностью
перешёл из владения ядра одного атома во владение ядра
другого атома. Но очень часто (особенно при соединении
неметаллов друг с другом) каждый из соединяющихся
атомов выделяет в «совместное владение» по одному или
по несколько электронов из своей внешней оболочки.
На рисунке 5 показано, как из кислорода и водорода
образуется вода. Здесь каждая химическая связь между двумя
атомами осуществляется парой электронов. В
образующейся молекуле воды нет ясно выраженных
положительно и отрицательно заряженных частей. Заметим, что
описанные процессы только приближённо, упрощенно
отражают то, что происходит в действительности.
Что такое валентность? Атом хлора соединяется
только с одним атомом водорода. Атом кислорода
соединяется уже с двумя атомами водорода, атом азота —
с тремя, а атом углерода—с четырьмя атомами
водорода. Эти числа, показывающие, со сколькими атомами
водорода может взаимодействовать один атом элемента,
называют валентностью элемента. Мы можем
сказать, таким образом, что хлор — одновалентен, а
углерод — четырёхвалентен. Валентность «управляет»
соотношением между атомами, вступающими в соединение.
Водород одновалентен, и в реакциях он может
отдавать или захватывать только 1 электрон. Значит,
валентность показывает также, сколько электронов может
отдать или захватить атом данного элемента в реакциях.
Если атом отдаёт электрон и становится положительно
заряженной частицей, то его валентность
положительная (например, у атома натрия). Атом,
захватывающий электрон, проявляет отрицательную
валентность (например, атом хлора в соединении с
натрием). В химических реакциях участвуют только те
электроны, которые расположены во внешней оболочке
атома. Эти электроны называют валентными. Таким
образом, различия в химическом поведении элементов
определяются величиной (от нуля до 8) и знаком
(положительная, отрицательная) валентности. Ни у одного
элемента валентность не может быть больше восьми, так
как 8 — самое большее число электронов во внешней
оболочке атома. Нулевая валентность свойственна не
вступающим в реакции инертным газам; её мы приписываем
также простым веществам до их вступления в реакцию,
22

так как их атомы ещё не обмениваются электронами
с атомами других элементов. У большинства элементов
валентность может быть различной (высшая валентность
всегда равна номеру группы, к которой принадлежит
элемент). Такие случаи особенно часты у элементов
4—8 групп. Например, углерод образует окись СО, где его
валентность 2, и двуокись СОг, где его валентность 4,
а хлор может в зависимости от условий давать соединения
с 8 различными валентностями (от —1 до +7).
Химическая активность. Нам уже известно, что атомы
металлов отдают в реакциях свои электроны атомам
неметаллов. Но одни металлы отдают электроны легче, чем
другие. По способности отдавать электроды металлы
располагаются в следующий ряд:
КАЛИЙ, НАТРИЙ, КАЛЬЦИЙ, МАГНИЙ, АЛЮМИНИЙ, ЦИНК,
ЖЕЛЕЗО, ОЛОВО, СВИНЕЦ, ВОДОРОД, МЕДЬ, РТУТЬ,
СЕРЕБРО, ЗОЛОТО.
Наиболее активен в этом ряду калий, наименее —
золото. Каждый металл вытесняет из соединений все
остальные, стоящие справа от него, следовательно, он
активней всех следующих за ним металлов. Так,
например, железо активнее меди и вытесняет её из медных
солей (см. опыт на стр. 12).
Водород, хотя и не является металлом, включён в этот
ряд потому, что во многих реакциях ведёт себя подобно
металлам. Некоторые металлы вытесняют водород из его
соединений (кислот), но и он сам обладает такой же
способностью по отношению к меди, ртути, серебру, золоту.
В свою очередь, атомы различных неметаллов
неодинаково легко захватывают электроны. Например, в ряду
F, CI, Br, J (фтор, хлор, бром, иод) наиболее активен
фтор, а наименее — иод.
Кислород — один из наиболее активных неметаллов.
Это видно из того, что кислород входит в состав
подавляющего числа веществ, встречающихся в природе.
Сведения об активности элементов также помогают нам
решить, возможна ли та или иная химическая реакция.
Чем больше активность участвующих в реакции
металлов и неметаллов, тем легче протекает реакция.
Как сокращённо записать химическую реакцию.
Можем ли мы каким-либо способом изобразить, что
происходит во время химической реакции? Конечно, можем.
Ведь для этого и существуют символы элементов, обозна-
23

чающие не только «сорта» атомов, но и количество
вещества, заключённого в каждом из них (атомный вес).
Периодическая таблица даёт нам сведения о валентности
элементов, а валентность точно определяет, в каких
соотношениях атомы различных элементов могут связываться
друг с другом. Крохме того, мы должны помнить и о
законе сохранения вещества. Он требует, чтобы вес всех
взятых для реакции веществ равнялся весу всех
образующихся продуктов. Всё это даёт нам возможность написать
уравнение химической реакции.
Составляя уравнение реакции, нужно учесть, что все
простые вещества, за исключение*м инертных газов,
состоят из молекул, а не из отдельных, свободных атомов.
Поэтому мы должны записать, например, реакцию
водорода с хлором как реакцию между молекулами:
н2 + С12 == 2 НС!
1 молекула водорода 1 молекула хлора 2 молекулы хлористого
Еодорода
(2х1,СС8) (2X35,46) (2x36,468)
2,016 70,92 72,936
Так как кислород двухвалентен, а водород
одновалентен, то при образовании воды одна молекула кислорода
реагирует с двумя молекулами водорода. Эту реакцию
можно записать так:
02 + 2Н2 = 2Н20.
Для описания реакции пишут уравнение, состоящее
только из формул соединений. Но количество веществ,
которые нужно взять для реакции, и ожидаемые
количества продуктов реакции рассчитывают так, как мы это
только что сделали на примере водорода и хлора — по
составу молекул, атомным весам и валентности элементов.
Такие расчёты реакции особенно важны в заводской
практике: они позволяют правильно и экономно
расходовать сырьё, облегчают контроль производства и
управление самой реакцией.
С химической точки зрения мир представляет собой
непрерывно действующую гигантскую лабораторию, в
которой разрушаются одни вещества и возникают другие.
С некоторыми веществами, окружающими нас, и
химическими превращениями их мы и познакомимся в
следующих разделах.
24

2. ВОЗДУХ
О оздух — это газообразная оболочка земли, та мате-
*-* риальная среда, в которой протекает жизнь
животных и растений. Воздух необходим для всех живых
организмов. Без пищи живой организм может существовать
несколько недель, без воды — несколько дней, а без
воздуха он не просуществует и нескольких минут.
До нагревания После нагревания =
Рис б. Сжигание фосфора в воздухе.
Из чего же состоит воздух? Почему он так необходим
для живых организмов?
Многие тысячелетия воздух считался простым
веществом. И только около 200 лет назад было доказано, что
воздух — смесь газов и что только часть этой смеси
поддерживает горение. Это устанавливается простым опытом
(рис. 6). Поместим в стеклянный сосуд кусочек фосфора.
Плотно закроем сосуд пробкой и подогреем его дно.
Фосфор загорится. Когда горение закончится, опустим
горлышко сосуда в воду и вытащим пробку. Вода немедленно
устремится в сосуд и займёт около Vs его объёма.
Очевидно, часть воздуха, находившегося в сосуде, была
израсходована при горении фосфора, вступила в соединение
с ним. Эта составная часть воздуха — кислород. Он
поддерживает горение и дыхание.
Если внести в газ, оставшийся после сгорания фосфора,
зажжённую лучинку, она погаснет. Если поместить в него
муху или бабочку — они быстро погибнут от удушья.
Это показывает, что в воздухе кроме кислорода есть
газ, не поддерживающий горения и не пригодный для
25

дыхания. Этот газ — азот. Древнегреческое слово «азот»
и означает «безжизненный».
Кислород и азот — главные составные части воздуха.
Кроме того в воздухе есть очень небольшое
количество — по объёму меньше одного процента — инертных
газов: аргона, гелия, неона, криптона и ксенона.
Кислород, азот и инертные газы — это
постоянные составные части воздуха. В каком бы месте вблизи
поверхности Земли мы ни взяли воздух, по удалении из
него переменных составных частей в нём всегда
оказывается по объёму 20,91 процента кислорода, 78,15
процента азота и 0,94 процента инертных газов. Помимо них
в воздухе всегда содержатся ещё и некоторые химические
соединения. Из них наибольшее количество приходится
на долю углекислоты и водяных паров. Содержание их
в воздухе сильно меняется в зависимости от условий.
Поэтому водяные пары и углекислоту называют
переменными составными частями воздуха.
При 20 градусах в одном кубическом метре воздуха
содержится приблизительно 10—11 граммов воды. Воздух
над морями и океанами обычно содержит больше водяных
паров, чем воздух над материками. Количество
углекислоты в чистом воздухе в среднем близко к 0,03 процента
по объёму. Но в городах и промышленных центрах оно
больше, потому что там сжигается много топлива.
В воздухе всегда содержится пыль — мельчайшие
частички твёрдых веществ. Иногда к воздуху
примешиваются некоторые газы, обычно не входящие в его состав.
Например, вблизи металлургических или сернокислотных
заводов в воздухе находится сернистый газ, в районах
нефтепромыслов — нефтяные газы. Всё это —
случайные составные части воздуха.
Значение составных частей воздуха для организма.
По значению для живых организмов на первом месте из
всех составных частей воздуха стоит кислород — он
потребляется при дыхании. Кислород необходим для
химических реакций, которые непрерывно протекают в
организме и снабжают его жизненной энергией. В результате
этих реакций образуются углекислота и вода. Это
доказывает химический анализ вдыхаемого и выдыхаемого
воздуха. В выдыхаемом воздухе количество кислорода
уменьшается на 20 процентов, а количество углекислоты
увеличивается почти в 140 раз. Ощущение духоты являет-*
26

ся откликом организма на уменьшение в воздухе
содержания кислорода и увеличение количества углекислоты.
Азот не используется при дыхании. Тем не менее его
присутствие в воздухе необходимо для живых
организмов. Составляя по объёму около 4/s воздуха, он р а з б а в-
л я е т кислород и тем самым замедляет реакции,
протекающие в чистом кислороде слишком энергично, служит
«тормозом». Инертные газы, аргон и другие, играют ту
же роль, что и азот. Но, конечно, их влияние очень мало,
так как их в воздухе немного.
Хотя азот в обычных условиях химически инертен,
некоторые бактерии способны его перерабатывать и
усваивать. Такие бактерии поселяются на корнях бобовых
растений (гороха, клевера и др.) и создают необходимые
для их роста запасы азотистых соединений.
Воздух играет огромную роль и как переносчик и
«распределитель» воды на земле. Благодаря большой
подвижности воздуха испаряющаяся с поверхности морей, озёр
и рек влага распределяется на громадные площади. При
понижении температуры воздуха часть содержащейся в
нём влаги сгущается, конденсируется в капельки. Так
образуются роса, туман, облака. Вода из облаков вновь
возвращается на землю в виде дождя или снега и
пополняет запасы необходимой для растения влаги в почве.
Воздух — источник сырья для промышленности.
Воздух — не только среда, необходимая для жизни растений
и животных, но и материал, используемый
промышленностью. В химической практике часто встречается
необходимость «ввести» в молекулу того или иного вещества
атом кислорода. Такие реакции называют окислением.
Для многих из них достаточно уже действия кислорода,
присутствующего в воздухе, например, при варке олифы,
при получении уксуса из виноградного вина или при
сжигании серы для получения серной кислоты.
Но во многих случаях действие воздуха оказывается
недостаточным, необходим чистый кислород. Его и
получают из воздуха. Для этого воздух сначала
превращают в жидкость, пользуясь специальными машинами.
Жидкий воздух, испаряясь, меняет состав, становится
всё богаче и богаче кислородом. Это происходит потому,
что вначале улетучивается главным образом азот,
имеющий более низкую температуру кипения (минус 196
градусов), чем кислород (минус 183 градуса). Когда темпера-
27

тура жидкости достигнет минус 183 градусов, в ней
остаются только кислород и инертные газы. Этот
«технический» кислород перекачивают в стальные баллоны под
давлением 150 атмосфер и в таком виде доставляют на
производства, например, на химические и
металлургические заводы.
Испаряющийся из жидкого воздуха азот собирают,
сгущают в жидкость и вновь испаряют. Таким образом, он
получается почти без примеси кислорода. Это —
«технический» азот; его также перекачивают в стальные
баллоны, в которых он хранится под давлением.
Жидкий воздух, а также жидкие кислород и азот
применяются в технике для очень сильного охлаждения.
Кислород используется не только в химической
промышленности. Большие количества его расходуются при
автогенной сварке и резке металлов. Пламя, которое даёт
при горении в воздухе водород или другой горючий газ —
ацетилен, недостаточно горячо для того, чтобы быстро
расплавлять металлы. Заменяя воздух чистым кислородом,
получают настолько горячее пламя, что даже толстые
слои металла разрезаются и «свариваются» очень быстро.
Азот воздуха—также очень важное сырьё. Его долго
не умели использовать, так как при обычных условиях он
не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом.
Промышленная переработка азота воздуха развилась
только 25—30 лет назад, когда нашли способ заставить
азот соединяться с водородом. Такая реакция происходит,
если сжатую под давлением в несколько сот атмосфер
смесь азота с водородом пропускать над некоторыми
металлами, нагретыми до 400—550 градусов. Азот с
водородом образуют газ аммиак, NH3. Аммиак очень легко
реагирует с другими веществами. Окисляя аммиак, получают
азотную кислоту. И аммиак, и азотная кислота
используются для производства красителей, взрывчатых веществ,
лекарственных препаратов. Теперь аммиак и азотная
кислота получаются почти исключительно из азота воздуха.
3. ГОРЕНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ
|/ак идёт горение в примусе и керосинке. Наиболее яр-
•** ким примером химических реакций, идущих при
участии кислорода воздуха, является горение — тот процесс,
с помощью которого мы получаем тепло и свет. Какое бы
28

топливо мы ни сжигали — уголь или дрова, керосин или
бензин, спирт или светильный газ — главная химическая
реакция при горении их одна и та же: углерод и водород,
входящие в состав молекул топлива, соединяются с
кислородом воздуха и образуют углекислоту и воду.
Общеизвестно, что керосинка даёт жёлтое, светящее пламя, а
примус— голубое или фиолетовое, почти не светящее пламя.
В обоих случаях топливо одно и то же — керосин.
Почему же это происходит?
Керосин — это смесь различных углеводородов,
соединений углерода с водородом. Для примера возьмём один
из углеводородов керосина — нонан, имеющий состав
СуН2о. При горении нонан соединяется с кислородом и
образуются углекислота и вода. Начальное и конечное
состояния этого процесса можно изобразить химическим
уравнением:
С9Н20 + 1402 = 9 С02 + 10 Н20 (пар) + теплота.
Написав такое уравнение, мы допустили, что углеводород
сгорает полностью. Это и происходит в исправном примусе.
В примусе керосин поступает в горелку под давлением.
Испаряясь в нагретой горелке и вырываясь сильной струёй
через форсунку, керосин хорошо перемешивается с
воздухом. Смесь получается настолько богатой кислородом,
что керосин сгорает полностью. Кроме того, пары
керосина, проходя через раскалённую часть горелки, не только
нагреваются, но и химически изменяются: сложные
молекулы углеводородов при температуре 400—500 градусов
распадаются на более простые, сгорающие легче. Этот
распад обычно сопровождается выделением небольшого
количества твёрдого углерода — кокса; кокс постепенно
засоряет горелку, поэтому время от времени её нужно
«прожигать».
Мы знаем, что керосинка всегда даёт копоть или сажу,
то-есть очень мелкие частицы угля. Значит, в керосинке
идёт неполное сгорание керосина. Керосин испаряется
с поверхности фитиля и только тут смешивается с
воздухом. Количество воздуха внутри пламени оказывается
недостаточным. Поэтому и образуются мельчайшие
раскалённые частички угля, от которых ярко светится пламя.
Почему дрова и каменный уголь, сгорая, дают пламя,
а древесный уголь горит без пламени? Различные виды
твёрдого топлива сгорают по-разному: дрова и каменный
29

уголь образуют при горении пламя, а древесный уголь
пламени не даёт. Какова же разница между ними?
Древесная масса и каменный уголь — смеси сложных
веществ, богатых углеродом. Они содержат также
кислород и водород. При нагревании дров и каменного угля
сложные вещества расщепляются на более простые и в
то же время более летучие вещества. Эти вещества,
сгорая, и образуют пламя. Дрова дают большее пламя, чем
каменный уголь: они образуют больше летучих веществ.
Древесный же уголь получают неполным сожжением
дерева. Хороший древесный уголь — это почти чистый
углерод; к нему примешаны только минеральные- вещества,
дающие после сгорания золу. Поэтому древесный уголь не
образует летучих продуктов и горит без пламени.
Все жидкие вещества и горючие газы, разлагающиеся
при высокой температуре с выделением летучих
продуктов, при горении образуют пламя. Твёрдые вещества, не
способные давать летучие продукты разложения, горят
без пламени. При неполном горении всегда образуется
дым, состоящий из твёрдых частичек несгоревшего угля
и газообразных продуктов горения — окиси углерода,
углекислоты, водяных паров.
Почему керосиновая лампа коптит, а рано закрытая
печка даёт угар. Мы можем управлять химическими
реакциями, заставлять их протекать нужным нам
образом. Примеры этому легко найти в нашем быту.
Керосиновая лампа стала коптить. Ясно, что если
выделяется копоть, горение идёт не полно. Мы убавили
фитиль — копоть перестала образовываться. Почему?
Потому, что мы изменили условия горения. Убавив фитиль,
мы уменьшили скорость испарения керосина. Количество
же поступающего в лампу воздуха осталось прежним.
Поэтому горение стало более полным.
А почему рано закрытая печь даёт угар? — Потому, что
нарушается режим горения и вместо одной реакции идёт
другая. При недостатке воздуха, поступающего в печь,
горение идёт не до конца: вместо углекислоты, СОг,
образуется окись углерода или, как её иначе называют,
угарный газ СО. Угарный газ невидим, так как, в отличие от
дыма, он не содержит твёрдых частиц. Он очень ядовит.
Окись углерода образуется и при открытой трубе, но
так как приток кислорода в печь достаточный, она
сгорает и образует углекислоту, уходящую в трубу
30

(рис. 7, Л). При закрытой же трубе продукты горения
выходят через печную дверцу в помещение. Если в печи
осталось слишком много раскаленного угля, то притока
воздуха хватает только на образование окиси углерода и
в комнате появляется угар (рис. 7, £).
Эти простые примеры показывают, что, изменяя
соотношения между количествами реагирующих веществ,
можно управлять
химической реакцией.
Чем отличается
горение в печи от
горения в живом
организме? В печке
сгорает топливо. Для
организма топливом
служит пища. И в
организме и в печке
углеродистые
вещества сгорают,
превращаясь в
углекислоту и в воду.
В этом — сходство.
Разница же состоит
в том, что в печке горение происходит при высокой
температуре, а в живом организме — при низкой и
значительно медленнее.
В печах, особенно промышленного типа — доменных,
стекольных и др., температура превышает 1000 градусов.
Тело человека имеет в среднем температуру 36,6 градуса.
Химики установили, что повышение температуры на
10 градусов почти удваивает скорость реакции. Значит,
горение в печи идёт во много раз быстрее, чем в организме.
Однако дело не только в этом. При высокой
температуре реакция может протекать совсем иным путём. При
1000 градусов некоторая часть молекул кислорода (около
1,5 процента) распадается на атомы: Ог^20. Значит,
горение при высоких температурах можно объяснить тем,
что с топливом вступают в реакцию свободные атомы
кислорода, число которых по мере их расходования
пополняется путём распада, диссоциации, новых
молекул кислорода. Но в живых организмах молекулы
кислорода не могут распадаться на атомы. Каким же
образом происходит горение в организмах?
Рис. 7. А -— нормальное горение при
открытой трубе; Б — образование
угарного газа при большом количестве
угля и закрытой трубе.
S1

Общую теорию таких процессов разработал в конце
прошлого столетия русский академик А. Н. Бах. Рядом
опытов с простыми углеродистыми соединениями и с
веществами, содержащимися в животных и растительных
организмах, А. Н. Бах доказал, что при обыкновенной
температуре к молекулам этих веществ присоединяются
целые молекулы кислорода. При этом образуются такие
соединения, которые способны окислять другие вещества так
же легко, как и атомарный кислород. Эти соединения,
называемые перекисями, являются промежуточными
продуктами окисления.
Как же построены молекулы перекисей и какими
свойствами они обладают?
Познакомимся сначала с простейшей перекисью —
перекисью водорода Н202. Строение её изображается
формулой Н—О—О—Н. Перекись водорода неустойчива, при
хранении она медленно разлагается на воду и кислород:
Н202=Н20-|-0. Значит, один из атомов кислорода в
перекиси «подвижен»,«активен». Поэтому перекись водорода
является хорошим окислителем.
В организмах животных и растений перекиси водорода
нет, но с группой атомов —О—О—, характерной для
перекисей, могут быть связаны атомы углерода
органических соединений. Такие перекиси называют
перекисями органических соединений, и они
обнаружены в живых организмах. Им-то и принадлежит та
исключительная роль в процессах медленного окисления
в организме, на которую указал А. Н. Бах.
В организмах животных окисление пищевых
материалов происходит в крови. В красных кровяных тельцах
находится сложное белковое вещество, гемоглобин,
окрашивающий кровь в красный цвет. В состав
гемоглобина входит железо, придающее ему способность
соединяться с кислородом. При дыхании гемоглобин окисляется
(в лёгких) и превращается в оксигемоглобин. Сам
оксигемоглобин не является настоящей перекисью, так как
он отдаёт весь присоединённый кислород, а не половину,
как это делают истинные перекиси. Но он легко
превращает в перекиси некоторые пищевые вещества,
попадающие в кровь, отдавая им свой кислород, и вновь переходит
в гемоглобин. Кислород расходуется на окисление
пищевых материалов, на выработку энергии, необходимой для
поддержания жизни.
32

Есть ли разница между горением и окислением? По
сходству с горением топлива естественно считать горением
все химические процессы, протекающие с выделением
тепла и света. Слово «горение» описывает внешние
признаки и только одну сторону химической реакции —
превращение химической энергии в тепловую и световую.
Но для химика описания только этой стороны реакции
недостаточно. Он хочет знать, что происходит с каждым из
атомов, входящих в состав вещества, как эти атомы
изменяются во время реакции. И вот если с этой
стороны посмотреть на реакции, происходящие при горении,
то оказывается, что всегда какой-либо из атомов
сгорающей молекулы увеличивает свою положительную
валентность. Например, при сгорании СО в С02 положительная
валентность углерода возрастает с 2 до 4, так как атом
углерода оказывается связанным уже не с одним, а с
двумя атомами кислорода. Углерод при горении
окисляется. Поэтому мы называем окислением реакцию,
в которой како й-л ибо элемент
увеличивает свою положительную валентность.
А что делается при окислении с самим окисляющим
веществом? В нашем примере окисляющим веществом
служит кислород воздуха, простое вещество, которому мы
условились (стр. 22) приписывать до реакции нулевую
валентность. Входя в состав молекулы СОг, атом кислорода
становится двухвалентным отрицательным. Реакцию,
в которой атом каког о-л ибо элемента
увеличивает свою отрицательную
валентность, называют восстановлением.
Следовательно, кислород воздуха, окисляя углерод СО, сам
при этом восстанавливается. Из нашего примера мы
видим, что окисление и восстановление—два процесса-
близнеца: они всегда сопровождают друг друга и
невозможны один без другого.
Всякое ли окисление протекает как горение? Железо,
окисляясь, ржавеет. Но разве мы можем сказать, что при
этом железо горит. Конечно, нет. Разве в живом
организме окисление сопровождается выделением света? —
Нет, происходит только выделение тепла. Значит,
окисление не всегда сопровождается горением. Но, как правило,
все процессы горения являются окислением.
Могут ли горение и окисление происходить без
кислорода? Окисляемый атом вовсе не обязательно должен
ь
А. М. Рубинштейн
33

отдавать свои валентные электроны именно атому
кислорода. Очень легко это происходит и с другими элементами.
Вернёмся к опыту, описанному на стр. 12. Железо,
которое мы погружаем в раствор медного купороса,— простое
вещество с нулевой валентностью. Железо активнее меди
и вытесняет из раствора медь. В этой реакции вытеснения
атом железа отдаёт атому меди 2 электрона и сам
приобретает валентность + 2. Значит, и здесь железо
окисляется! Атом же меди, забрав у атома железа 2 электрона,
изменяет валентность с + 2 до нуля, восстанавливается.
Точно так же можно рассмотреть и реакцию между
серой и железом (стр. 9). Оба они — простые вещества с
нулевой валентностью. После реакции валентность
железа + 2, а серы — 2, следовательно, железо окислилось,
а сера восстановилась. Вспомним, что реакция между
серой и железом сопровождается выделением тепла и света,
то-есть горением, хотя кислород в ней и не участвует.
Значит, не только окисление, но и горение может происходить
без участия кислорода.
Почему железо ржавеет, а золото и серебро — нет? Из
всех металлов наиболее широко используется в технике и
в быту железо. Большим недостатком железа служит то,
что оно легко соединяется с кислородом воздуха и водой,
ржавеет. Так как ржавчина непрочно связана с
поверхностью металла, она легко стирается, распыляется,
приводя к большим потерям металла. Ржавление и
подобные ему процессы разрушения металлов называют кор-
р о з и е й.
Подсчитано, что в результате коррозии во всём мире
ежегодно теряется больше 30 миллионов тонн металлов.
Это настоящее бедствие. Поэтому химики и физики
упорно работают над вопросами борьбы с коррозией.
Ржавчина — это смесь водной закиси железа Fe (ОН)г,
окиси железа Feo03, окалины Fe304 и некоторых других
веществ. То, что железо окисляется уже при низкой
температуре, объясняется его значительной химической
активностью.
Другое дело — серебро, золото, платина и другие
благородные металлы. Их активность очень мала. Ядра их
атомов цепко удерживают валентные электроны и поэтому
трудно окисляются. Соединения этих металлов непрочны,
они легко распадаются с выделением свободных
металлов. Хлористое и бромистое серебро, например, разла-
34

гается на свету. На этой реакции основана вся
фотокинопромышленность *).
Неустойчивость солей серебра можно доказать
интересным опытом. Подогреем в стаканчике нашатырный
спирт (это — водный раствор аммиака) до 50—60
градусов и нальём в него при перемешивании несколько капель
раствора ляписа (азотнокислого серебра). Затем добавим
несколько капель формалина или раствора виноградного
сахара — глюкозы. Через несколько минут на стенках
стаканчика образуется серебряное зеркало, а в растворе
появится тёмная муть. Формалин или глюкоза
восстанавливают серебро из его соли. Эта реакция используется для
изготовления зеркал.
* *
Итак, мы познакомились с составом воздуха и
отметили особую роль кислорода в природе, которую ему
обеспечивает его большая химическая активность. Но очень
многие реакции с участием кислорода шли бы совсем
иначе, а некоторые — не были бы даже возможны, если
бы на помощь кислороду при его воздействии на другие
вещества не приходила вода. Вода, подобно кислороду,
играет в природе громадную роль и обладает многими
очень важными свойствами. Их мы и рассмотрим в
следующем разделе.
4. О ВОДЕ
Достаточно одного взгляда на карту земного шара, чтобы
убедиться, насколько вода распространена в природе:
океаны и моря, вечные льды Арктики и Антарктики, реки
и озёра покрывают 3Д поверхности Земли. А ведь это
ещё не всё. В атмосфере всегда находятся пары воды,
земная кора содержит около 9 процентов влаги. Кроме
того, вода входит в состав всех растительных и животных
организмов.
Вода играет исключительную роль во многих
процессах, протекающих в мёртвой и живой природе. Она
служит человеку для питья, приготовления пищи и мытья.
В технике вода используется для производства пара и как
*) Подробнее об использовании соединений серебра в
фотографии см. брошюру Научно-популярной библиотеки Гостехиздата:
Д. 3. Б у н и м о в и ч, «Фотография».
3*
35

охлаждающая жидкость. Естественные или искусственно
созданные водопады («белый уголь») дают нам
электроэнергию. Но самое замечательное и важное свойство
воды заключается в том, что она растворяет очень многие
вещества. Поэтому в природе и в химической
промышленности вода очень часто
служит средой, в
которой протекают различные
реакции.
Что такое растворы.
Растворы являются
сложными системами. Они
состоят по меньшей мере из
двух веществ: из
растворителя и растворённого
вещества. В растворе
может находиться
несколько растворенных веществ
одновременно. В стакане
сладкого чая, налример,
содержатся растворённые
вещества чая,
окрашивающие воду, и сахар.
Растворы однородны и этим
отличаются от смесей. Но
ведь и химические
соединения однородны. Чем же
от них отличаются
растворы? Да тем, что
растворы не имеют
постоянного соста-
в а. Мы можем растворить
в литре воды 1, 2 или 100 граммов поваренной соли
и во всех этих случаях получим однородный раствор.
Химическое же соединение, как мы уже говорили, имеет
строго постоянный состав.
Растворы однородны потому, что растворитель
«раздробляет» растворяемое вещество на отдельные молекулы,
а иногда и на более мелкие частицы, с которыми мы
познакомимся позже. Растворение вещества похоже на его
испарение, а выделение вещества из раствора, то-есть
кристаллизация — на сгущение паров в жидкость,
конденсацию (рис. 8).
Испарением конденсация
Растворение zz кристаллизации
Рис. 8. Сходство между
испарением и растворением,
кристаллизацией и конденсацией (молекулы
обозначены кружочками со
стрелками).
36

При 20 градусах Цельсия в одном литре воды может
раствориться 263,9 грамма поваренной соли. Если мы
возьмём 300 граммов соли на литр воды, то 36,1 грамма
останутся в виде кристаликов. Однако это не значит, что
процесс растворения прекратился совершенно. Ведь вес
молекулы соли «равноправны», все они стремятся перейти
в раствор. Но по мере того, как количество растворённой
соли увеличивается, усиливается и стремление
растворённых молекул выкристаллизоваться из раствора. К
моменту, когда в 1 литре воды растворится 263,9 грамма
соли, оба эти процесса уравновешиваются; число молекул,
переходящих из кристаллов в раствор, становится равным
числу молекул, выделяющихся из раствора на
поверхности кристаллов. Процессы, в том числе и химические
реакции, протекающие, подобно описанному, в двух
противоположных направлениях, называют обратимыми.
Когда скорости противоположно направленных процессор»
уравниваются, наступает равновесие. Раствор,
находящийся в равновесии с ещё нерастворённым веществом,
называют насыщенным. Насыщенный раствор —
самый «крепкий», самый концентрированный раствор, какой
только может дать растворяемое вещество (если не
считать редких случаев образования нестойких
пересыщенных растворов). Поэтому, когда говорят о
растворимости вещества, всегда подразумевают то
количество вещества, которое образует насыщенный раствор.
Различные вещества растворяются в воде по-разному:
одни хорошо растворяются, другие совсем не
растворяются, а некоторые вещества смешиваются с водой в
любых отношениях — их растворимость не ограничена. Это
видно из следующей таблички:
Вещество
Его
формула
Растворимость
в граммах на
100 граммов воды
(при 20 градусах)
Серная кислота
Поваренная соль
Сода стиральная
Сода питьевая
Гипс
Мел
Кварц (белый песок)
Железо
H2S04
NaCl
Na2CO,
Na.HCOs
CaS04
CaCOg
SiOo
Fe
не ограничена
26,39
17,8
8,09
0,19
0,018
0
О
37

Растворимость вещества зависит от температуры. При
20 градусах в 100 граммах воды растворяется только
17,8 грамма соды, при 30 градусах — 29 граммов, а при
36 градусах уже 33,8 грамма.
А что же произойдёт, если мы приготовим насыщенный
раствор соды при 36 градусах, а затем охладим его до
20 градусов? В растворе останется такое количество соды,
которое растворяется при 20 градусах, а весь излишек
выделится из раствора в виде кристаликов.
Разницу в растворимости при различных температурах
используют для очистки веществ от примесей. При этом
большая часть примеси остаётся в растворе, а отделённые
от него кристаллы оказываются более чистыми, они
содержат меньше примеси. Повторяя кристаллизацию
несколько раз, можно получить химически чистое вещество.
Растворителем может быть не только вода, но и
другие жидкости — бензин, спирт, эфир и т. п.
Чем дождевая вода отличается от речной, а речная —
от морской? Вода — хороший растворитель. Поэтому в
природе она никогда не встречается в совершенно чистом
виде. Она всегда содержит растворённые вещества.
Разницу между водами различного происхождения можно
легко определить, испарив воду и определив количество и
состав сухого остатка. Из всех природных вод
наименьший сухой остаток даёт дождевая вода, значительно
больший — речная, а самый большой остаток даёт морская
вода (рис. 9). Одна тонна дождевой воды (разумеется
освобождённой от частиц пыли) даёт при полном испарении
не более 50 граммов твёрдого остатка, тонна речной воды
до 1 600 граммов, а морской — около 35 килограммов!
Дождевая вода образуется из влаги воздуха и поэтому
содержит очень мало растворённых веществ: кислород,
азот, углекислоту, а иногда окислы азота и аммиачную
селитру (NH4N03), образующиеся в воздухе при грозовых
разрядах.
Сухой остаток морской воды содержит около 78
процентов поваренной соли, около 11 процентов хлористого и
5 процентов сернокислого магния и очень мало — около
4 процентов — различных солей кальция (соли кальция
используются микроорганизмами для построения
раковин). Наоборот, в речной воде большая часть
растворённых солей — до 94 процентов — соли кальция:
сернокислая, углекислая и др.
S8

-*s^..
килограммов
до ZQ килограммов
до 1,6 киллограмма
а cto 50 граммов
Рис. 9. Содержание солей в природных водах
(в одной тонне).
Почему в чайнике нарастает накипь и как её сняты
При длительном пользовании чайником на его стенках и
на дне нарастает слой накипи. Накипь состоит из
солей. При нагревании вода частично испаряется, и плохо
растворимый сернокислый кальций выпадает в осадок.
39

В образовании накипи участвуют и двууглекислые соли
кальция и магния — Са (НСОзЬ и Mg (НСОзЬ; ПРИ тем~
пературе кипения воды они разлагаются и образуют
значительно менее растворимые углекислые соли,
выпадающие в осадок:
Са (НС03)2 - СаС031 + Н20 + СОа.
Снять накипь можно продолжительным кипячением в
чайнике раствора соды. При этом идёт реакция двойного
обмена, при которой сернокислый кальций переходит в
углекислый кальций:
CaS04 + Na2C03 -> СаС03 + Na2S04.
Углекислый кальций затем легко растворяется в
уксусной кислоте.
Накипь в чайнике — ещё полбеды, а вот в паровых
котлах она очень вредна, так как плохо проводит тепло.
Уже пятимиллиметровый слой её требует полуторного
расхода топлива для нормальной работы котла. Накипь
к тому же и опасна. Закупоривая тонкие трубки, она
может привести даже к взрыву котла. Поэтому воду перед
использованием в паровых котлах часто освобождают от
солей кальция и магния.
Эти примеры показывают, что технические свойства
воды зависят от содержания в ней кальциевых и
магниевых солей. Различают «мягкую» и «жёсткую» воду.
Жёсткость воды тем больше, чем больше в ней кальциевых и
магниевых солей. Чем их меньше, тем мягче вода.
В химической практике часто необходима чистая вода.
Как её получить?
Чистая вода и её физические свойства. Вода легко
очищается перегонкой, «дестилляцией». Этот способ очистки
воды — воспроизведение процесса, постоянно
протекающего в природе: испарения воды с поверхности водоёмов,
образования облаков и туч и возвращения воды на землю
в виде дождя. Перегонка воды на химических заводах
производится в специальных перегонных кубах (рис. 10).
Пары кипящей воды, поступая в змеевик холодильника,
вновь превращаются в воду, уже не содержащую
растворённых твёрдых веществ. Подобным же образом очищают
и другие жидкие вещества.
Чистая вода замерзает при нуле градусов, а кипит при
100 градусах (при атмосферном давлении). Она наиболее
40

плотна при 4 градусах. Количество тепла, необходимое
для нагревания одного грамма воды на один градус,
принимают за единицу теплоты и называют её
калорией. Для нагревания 1000 граммов воды на один
градус требуется уже килокалория, 1000 калорий.
Совершенно чистая вода — один из самых плохих
проводников электрического тока.
Рис. 10. Перегонка воды.
Как молекулы различных веществ ведут себя в воде?
По поведению в растворах все вещества можно
разделить на 2 группы: вещества, проводящие электрический
ток, — электролиты и вещества, не проводящие
ток, — неэлектролиты. Поваренная соль —
электролит, сахар — неэлектролит. Молекула сахара состоит из
элементов-неметаллов (С, Н, О), а молекула соли — из
металла (Na) и неметалла (С1). Мы уже познакомились
раньше (стр. 21) с тем, что образованная металлом и
неметаллом молекула состоит из положительно заряженной
частички металла (атом, отдавший электрон) и
отрицательно заряженной частички неметалла (атом,
захвативший электрон). Из этих притягивающих друг друга
частичек состоит весь кристалл соли. При растворении в воде
кристалл разрушается и составляющие его заряженные
частички, ионы, становятся свободными и
подвижными, — вода препятствует взаимному притяжению этих
частиц в 81 раз сильнее, чем воздух. Распад молекул
4\

электролитов называется электролитической
диссоциацией. Стоит только удалить растворитель—
испарить воду, — как ионы вновь образуют кристаллы.
Название «ион» происходит от греческого слова «идущий».
Оно дано заряженным частичкам потому, что под
действием тока они перемещаются: ионы металлов —
катионы— направляются к отрицательному полюсу, а
ионы неметаллов — анионы — к положительному
полюсу, как это показано на рисунке 11. Именно это движение
Рис. 11. Прохождение тока через раствор соляной кислоты.
ионов представляет электрический ток в растворе. Наш
рисунок показывает также, что, дойдя до отрицательного
электрического полюса, ион металла получает у него
электрон и превращается в незаряженный атом; ион
неметалла отдаёт свой электрон положительному полюсу и
также превращается в незаряженный атом. Таким
образом, электрический ток превращает ионы в атомы. Но так
действует только постоянный ток, ток, идущий
только в одном направлении. Он используется в
промышленности для получения простых веществ — металлов, хлора
и др. — из их солей. Такое разложение веществ током
называют электролизом.
42

Переменный ток, направление которого часто
меняется (например, в осветительной сети — 50 раз в секунду),
тоже проходит через растворы электролитов. Но
«разрядки» ионов и превращения их в атомы в этом случае
уже нет: ионы только получают «толчки» то в одном, то в
другом направлении и не успевают за такой короткий
промежуток времени добраться до электродов.
Хотя ионы и заряжены, раствор в целом нейтрален,
потому что число зарядов анионов равно числу зарядов
катионов. Например, при электролитической
диссоциации хлористого магния образуется один двухзарядный
катион магния и два однозарядных аниона хлора:
MgCl2^Mg++ + 2Cl-.
Почему не все вещества диссоциируют в растворах?
Молекулы сахара, спирта, эфира и др. не содержат
элементов-металлов. Неметаллы же, как мы уже знаем,
образуют друг с другом соединения, в которых пары
электронов оказываются в совместном владении ядер
соединяющихся атомов (рис. 5). Значит, молекулы таких
соединений при растворении не могут образовать ионов.
Что такое «кислоты» и чем они отличаются от
«щелочей». Вода легко взаимодействует со многими окислами.
Окислы металлов, соединяясь с водой, образуют щёлочи,
а окислы неметаллов — кислоты. Едкий натр (каустик),
гашёная известь — щёлочи. Наиболее известные
кислоты — соляная, серная, азотная, фосфорная. Как же эти
соединения диссоциируют в водных растворах?
В щелочах положительным ионом — катионом
является ион металла. Остальная же часть молекулы
щёлочи — группа атомов ОН или гидроксил — даёт
отрицательный ион, анион. Едкий натр диссоциирует в
растворе на 2 иона:
NaOH^Na+ + OH".
Гашёная известь (гидрат окиси кальция) при
диссоциации тоже даёт металлический ион и гидроксильный:
Са(ОН)2^Са++ + 20Н-
У разных щелочей различны только положительные ионы.
Отрицательным же ионом у всех щелочей является гидро-
ксил-ион. Поэтому любое соединение,
образующее в водном растворе гидроксил ь-
ные ионы, причисляют к классу щелочей.
43

В кислотах же роль металла всегда играет водород.
Кислоты диссоциируют так:
НС!^Н+ + СГ; H2S04^2H++S04";
соляная кислота серная кислота
Н3Р04^ЗН+ + Р04-".
фосфорная кислота
Мы видим, что все кислоты образуют ионы
водорода и отличаются только отрицательными
ионами. Значит, ионы водорода и служат признаком кислот.
Именно от них зависят реакции кислот: водород любой
кислоты вытесняется активным металлом или
обменивается на металл при смешении кислоты со щёлочью.
Многие окрашенные вещества меняют цвет при
действии кислот и щелочей. Например, фиолетовая краска —
лакмус синеет от действия щелочей и становится красной
от кислоты. Лакмусом часто пользуются для
распознавания кислот и щелочей.
Кислоты отличаются по с и л е, по активности. Так же
различаются и щёлочи. Чем больше молекул кислоты или
щёлочи распадается в растворе на ионы, тем сильнее
кислота или щёлочь, тем легче они вступают в реакцию и
тем быстрее она идёт.
К сильным щелочам относятся едкий натр, едкий
калий, к сильным кислотам — соляная, серная, азотная.
Что получается при смешении кислоты со щёлочью.
Кислота даёт ион Н+, щёлочь — ОН". При смешении
кислоты со щёлочью из водородных и гидроксильных ионов
обязательно образуется вода, так как оба эти иона
противоположно заряжены и стремятся соединиться в
молекулу. Эта реакция происходит с выделением тепла, и
поэтому смесь растворов сама разогревается.
Образование воды из Н+ и ОН" называют
реакцией нейтрализации. Какова же судьба в этой
реакции иона металла из щёлочи и отрицательного иона
кислоты? Они тоже несут противоположные заряды, а это
значит, что они соединяются друг с другом, образуя
соль:
Na ЮНТН| С1 — Н20 + NaCl,
Mg :[OH)^H,j so4 — MgS04 + 2H2o.
Поэтому реакция нейтрализации всегда даёт наряду
с водой ещё и соль того или иного состава. Соли очень
44

хорошо диссоциируют в растворе. Но они не одинаково
хорошо в нём сохраняются. Устойчивость соли в растворе
зависит от силы кислоты и силы щёлочи, образовавших
её. Дело в том, что вода сама диссоциирует на
водородный и гидроксильный ионы, хотя и очень слабо; из
каждых 10 миллионов молекул воды только одна распадается
на ионы. Но так как даже стакан воды содержит многие
миллиарды миллиардов молекул, то и такая слабая
диссоциация воды достаточна для того, чтобы ионы воды
смогли образовать с ионами соли недиссоциированные
молекулы кислоты или основания. Когда это может и
когда не может произойти? Если соль получена из
сильной кислоты и сильной щёлочи, то и соль, и кислота,
и щёлочь одинаково хорошо диссоциируют и ионы
воды на них не действуют. Так, ни поваренная соль, нч
селитра, ни сернокислый натрий в растворе не
изменяются. Другое дело, если соль получена из кислоты и щёлочи
не равной силы. Ионы воды тогда образуют с
ионами соли недиссоциированные молекулы слабой
кислоты или щёлочи. Это и наблюдается, например,
в растворе уксуснокислого натрия:
CH3COCTNa+ + Н+ОН- ^ Na" + ОН- + СН3СООН.
уксуснокислый натрий вода едкий натр уксусная кислота
диссоциирован не диссоциирована
То же самое происходит в растворе соды, Ыа2СОз, так
как она — соль очень слабой угольной кислоты (Н2СОз) и
очень сильной щёлочи (NaOH). И уксуснокислый натрий
и сода образуют щелочные растворы, хотя и не
содержат в молекулах гидроксильных ионов. Наоборот,
нашатырь (хлористый аммоний) образует кислые
растворы, как и все другие соли сильных кислот и слабых
щелочей.
Наши примеры показывают, что ионы воды могут
вызывать реакцию разложения соли, прямо
противоположную реакции нейтрализации. Эта обратимая реакция
разложения солей водой называется реакцией
гидролиза. Реакция гидролиза иногда очень полезна. Это
показывает следующий пример.
Почему мыльная вода моет и стирает лучше, чем
чистая? Хозяйственное и туалетное мыла — это натриевые
соли так называемых «жирных» кислот. Обычное
хозяйственное мыло — натриевая соль стеариновой кислоты.
Стеариновая кислота — одна из самых слабых кислот, и
45

поэтому её соли, в том числе и мыло, сильно
гидролизу ются:
стеариновокислыи + вода £± едкий -f- стеариновая
натрий натр кислота
Образующийся едкий натр даёт с отмываемыми
жировыми веществами растворимое в воде мыло. Таким
образом одна из причин моющего действия мыла — его
гидролиз. Вторая причина — особый характер растворов
мыла. Растворы мыла, если они не очень разведённые,
служат одним из примеров коллоидных растворов,
отличных от истинных растворов, о которых мы до
сих пор говорили. Коллоидные растворы содержат не
отдельные молекулы растворённого вещества, а целые
скопления связанных друг с другом и определённым
образом расположенных молекул. Размеры таких
коллоидных частиц — мицелл в сотни, а иногда в тысячи раз
больше, чем размеры молекул в истинных растворах*).
Многие коллоидные растворы, в том числе и мыло,
способны давать пену. Пена «вбирает» в себя твёрдые
частички грязи и капельки масла или жиров с поверхности
предметов, подвергаемых мытью. Чистая вода не
способна давать пену, и не может обладать такими же
моющими свойствами, как мыльная. Но всё же моющие
свойства мыла зависят и от применяемой воды.
Почему в жёсткой воде мыло плохо мылится? Лучше
всего мыло мылится в чистой (дестиллированной) или
в дождевой воде. Дождевая вода не содержит солей
кальция или магния. Если же мы пользуемся жёсткой
водой, то мыло свёртывается: оно вступает в реакцию
двойного обмена с содержащимися в ней солями кальция
и магния и образует нерастворимые в воде мыла:
Стеариновокислыи натрий + сернокислый кальций —> сернокислый
натрий + стеариновокислыи кальций (нерастворимое мыло).
Эти мыла уже не способны давать ни пену, ни достаточно
щелочную реакцию раствора.
При стирке обычно добавляют к воде соду. Сода
увеличивает щёлочность раствора и тем самым облегчает
отмывку жиров, удерживающих налипшие на ткань
частички грязи или пыли.
*) Подробнее о коллоидных растворах см. брошюру Научно-
популярной серии Гостехиздата: Б. Н. Суслов, «Между
пылинками и молекулами».
<б

5. РУДА И ТОПЛИВО
кокс,
известняк и пр.
Из недр земли добывают множество полезных
ископаемых: руды, различные виды топлива (уголь, нефть,
торф, горючие сланцы), глину, слюду и другие материалы,
важные для
современной техники и
промышленности.
Особенно
нужны для всех
отраслей техники
металлы. Но в недрах
земли в свободном
состоянии находят
только наименее
активные
металлы—серебро,
золото, платину.
Остальные металлы
обычно
встречаются в горных
породах в виде
соединений с
кислородом, серой и др.
Если металл
находится в
соединении, значит, он
окислен. Выделить
его можно только
реакцией
восстановления.
Познакомимся
с получением из
руд самого важного
железа.
Что происходит в доменной печи? Для выплавки
железа используют главным образом две железные руды:
бурый железняк Fe203 и магнитный железняк Fe304. Эти
руды восстанавливаются окисью углерода при высокой
температуре в специальных доменных печах (рис. 12).
Печь загружают сверху смесью руды, кокса и шлакообра-
зующих материалов (глины, известняков, песка), а снизу
в неё вдувают нагретый до высокой температуры воздух.
Рис. 12. Схема доменного процесса.
для промышленности металла —
41

В нижней части печи, где приток воздуха достаточно
велик, кокс сгорает, образуя углекислоту. Поднимаясь
вверх, углекислота встречает на своём пути раскалённый
кокс и вступает с ним в реакцию, образуя окись
углерода:
С02 + С(кокс) = 2СО.
Окись углерода в свою очередь действует на окислы
железа, отнимая у них кислород и восстанавливая их до
металла:
Fe304 + СО — 3FeO + C02; FeO + СО — Fe + С02.
магнитный закись закись железо
железняк железа железа
По мере выгорания кокса вся масса в печи опускается
вниз и попадает в зону более высокой температуры, где
железо плавится и образуются шлаки.
Почему для выплавки чугуна берут кокс, а не
каменный уголь? Для чего нужны глина, известняк, песок?
Каменный уголь содержит плавкие составные части,
которые склеивают, «спаивают» отдельные его куски и
этим затрудняют движение газов через смесь угля с
рудой. Кокс же — это уголь, из которого нагреванием
удалены все плавкие составные части. Поэтому куски
кокса при горении не спаиваются и не затрудняют ни
движение воздуха, ни стекание расплавленного металла
в нижнюю часть домны, где температура особенно
высока. Но ведь именно здесь и вдувается воздух, — почему
же восстановленное из руды железо не окисляется опять,
встречаясь с воздухом в нижней части печи? Вот эгому-то
препятствуют шлаки — расплавленные сложные
соединения, образуемые при высокой температуре песком,
известью и глиной. Обволакивая капельки чугуна, шлаки
защищают его от соприкосновения с воздухом.
Скопляющиеся на дне печи чугун и шлак сами собой разделяются:
более лёгкий шлак образует верхний, а более тяжёлый
чугун — нижний слой расплавленной массы. Их
выпускают из печи отдельно друг от друга.
Чугун — не чистое железо. Он содержит свыше
2,3 процента углерода в форме соединения —
углеродистого железа, сообщающего чугуну хрупкость. Чугун не
поддаётся ковке. Если из чугуна выжечь часть углерода,
то получится сталь. Выжигание угля ведут в специальных
печах — мартеновских, бессемеровских. Сталь содержит
48

около 1,5 процента углерода. Ковкое железо содержит
только около 0,5 процента углерода и тоже получается
выжиганием углерода из чугуна. Добавляя к чугуну при
его переплавке другие металлы — хром, никель,
молибден и т. п., получают много сортов специальных сталей —
с повышенной твёрдостью, прочностью,
нержавеющие и т. д.
Чем отличаются друг от друга дрова, торф и
каменный уголь? Кое-что нам скажет табличка, в которой
приведены данные о составе и теплотворной способности
(количестве тепла, получаемого при сжигании одного
килограмма топлива) различных видов твёрдого топлива:
Топливо
Дерево (сухое)
Бурый уголь .
Каменный
уголь ....
Антрацит. . ♦
Содержится в процентах
углерода
49,3—56
50—60
60—82
83—87
92—97

кислорода
37,4-43
33—42
10-36
6-9
1,5-3
водорода
6,0-6,6
5,5-5,9
6,0-6,5
5,6
0,6—3,5
азота
1,1—1,5
2,2
1,4
1,-5
0,8

Теплотворная
способность
3000—3500
3550
4000—6000
7000—7500
8500
-Эта табличка показывает, что при переходе от дерева
к антрациту содержание углерода увеличивается,
содержание кислорода уменьшается, а содержание водорода и
азота меняется не сильно. Эти различия не случайны:
источником образования торфа и углей в природе
являются отмершие растения, и разница между торфом и
углями зависит от того, насколько далеко зашло
разложение растительных остатков.
Древесная масса в основном состоит из сложных
соединений — целлюлозы и лигнина, очень богатых
кислородом (до 43 процентов). Оба эти вещества после гибели
дерева разрушаются и дают разнообразные обогащенные
углеродом продукты разложения. Из таблицы видно, что
даже антрацит — наиболее древний из углей — не
является чистым углеродом, а содержит ещё кислород,
водород и азот. Поэтому считают, что угли — смеси
углерода со сложными соединениями, очень богатыми
углеродом и бедными водородом.
4 А. М. Рубинштейн
49

Каменные угли в природе образовались за
тысячелетия. В течение этого времени древесная масса
разлагалась без доступа воздуха, при невысокой температуре
и под давлением вышележащих пород.
Нефть. Нефть — жидкое топливо. Оно особенно
удобно потому, что его можно использовать в двигателях
внутреннего сгорания — моторах автомашин, самолётов
и т. п. Нефть удобнее транспортировать, чем уголь. Но
самое главное преимущество нефти перед твёрдым
топливом заключается в том, что нефть почти целиком состоит
из горючих составных частей — углеводородов;
кислородных соединений в нефти очень мало, и золы она также
оставляет немного. Поэтому теплотворная способность
нефти очень велика — до 11 000 килокалорий.
Нефтяные месторождения расположены в тех местах,
где в древние геологические времена были моря. Это
позволяет считать, что нефть образовалась в недрах земли,
из останков морских животных и растений. Именно на
дне морей могли накапливаться и разлагаться без
доступа воздуха огромные количества останков животных
и растений, постепенно покрываясь наносными
отложениями. Блестящее подтверждение эта точка зрения
получила в опытах академика Н. Д. Зелинского, получившего
искусственную нефть из различных веществ,
содержащихся в тканях животных и растений.
На нефтеперерабатывающих заводах производится
перегонка нефти. При перегонке из нефти выделяют
бензин (углеводороды нефти с температурой кипения не
выше 200 градусов), керосин (углеводороды, кипящие при
200—300 градусах), а также лигроин, газойль. Из остатка
нефти после отгонки бензина и керосина выделяют
смазочные масла и вазелин. Вымораживая масляные погоны
нефти, получают парафин. И бензин, и керосин, и
нефтяные масла — сложные смеси различных углеводородов.
Нефть используется не только как топливо, нефть —
важное сырьё для химической промышленности. Больше
тысячи различных продуктов получают сейчас из нефти.
Здесь и взрывчатые вещества, и различные красители для
тканей, духи и лекарственные препараты, асфальт и
пластмассы и т. п. *). В деле переработки нефти огромное
*) Подробнее о нефти и её переработке см. брошюру Научно-
популярной серии Гостехиздата: Д. А. Катренко «Чёрное золото».
50

значение имеют исследования русских и советских
учёных: Д. И. Менделеева, В. В. Марковникова, Н. Д.
Зелинского, В. Г. Шухова и многих других.
Как используют каменный уголь. Долгое время
каменный уголь был только топливом, но в настоящее время
он служит сырьём для целой отрасли нашего народного
хозяйства — коксохимической промышленности.
Коксохимическая промышленность использует продукты сухой
перегонки каменного угля. Сухая перегонка угля
производится в коксовых печах. Уже само их название
показывает, что одним из главных продуктов перегонки угля
является кокс. При перегонке образуются также
светильный газ, каменноугольный дёготь и «подсмольная вода».
Каменноугольный дёготь является важным источником
сырья для получения различных органических
соединений. В нём содержатся ценные продукты: бензол,
нафталин, карболовая кислота и многие другие. В подсмоль-
ной воде растворено много ценного газа аммиака,
образующегося при разложении азотистых составных частей
угля. Светильный газ — удобное топливо.
Круговорот углерода в природе. Горение топлива,
дыхание и разложение углеродистых веществ — все эти
процессы приводят к образованию углекислоты. При
образовании каждой грамм-молекулы углекислоты (44 грамма)
из углерода (12 граммов графита) и кислорода (32
грамма) выделяется 97 килокалорий тепла. Наукой
установлено, что чем больше тепла выделяется при
образовании соединения, тем оно прочнее, устойчивее. Именно
потому, что углекислота образуется с очень большим
выделением тепла, она химически мало активна — для
разрушения её молекулы нужно затратить много тепла.
Поэтому химическая переработка углекислоты невыгодна.
Казалось бы, образование СОг в природе должно
вести к непрерывному уменьшению количества других,
более активных углеродистых соединений на Земле. В
организме человека за сутки сгорает в углекислоту около
100 граммов углерода, входящего в состав продуктов
питания. В среднем человек живёт около 60 лет. Значит,
только один человек за свою жизнь превращает в
углекислоту свыше 2000 килограммов углерода органических
соединений. А ведь население земного шара — около
2 миллиардов человек. Да кроме того питаются и дышат
также и животные и растения. Значит, углекислота
4*
51

должна была бы накапливаться в природе за счёт
разрушения органических соединений.
Однако этого не происходит. Углерод совершает в
природе «круговорот»: процессы, идущие с образованием
углекислоты, уравновешены процессами усвоения,
ассимиляции углекислоты зелёными растениями (рис. 13).
Растения питаются углекислотой, превращая её в
углеводы и жиры. Ассимиляция углекислоты происходит,
Рис. 13. Круговорот углерода в природе.
только под влиянием зелёного красящего вещества —
пигмента растений хлорофилла и солнечного света.
Хлорофилл улавливает, концентрирует энергию света и
передаёт её молекулам углекислоты. В результате
молекулы углекислоты «расшатываются», становятся более
способными к реакциям. Весь этот процесс назвали
фотосинтезом. Его можно изобразить следующей схемой:
солнечный свет
углекислота + вода - > сахар + кислород.
хлорофилл
Процесс усвоения углекислоты растениями изучил
великий русский учёный К. И. Тимирязев.
52

Животные не могут усваивать углекислоту и
пользуются для пополнения запаса органических соединений
растительной пищей.
Усвоение углекислоты растениями предотвращает и
вторую катастрофу — полное израсходование свободного
кислорода в природе. Ведь во всех процессах
образования углекислоты потребляется свободный кислород.
Однако усваивая углекислоту, растения расщепляют её
молекулу и выделяют свободный кислород — на каждый
усвоенный ими атом углерода выделяется один атом
свободного кислорода. Таким образом не только углерод, но
и кислород совершает в природе «круговорот».
6. ПИЩА И ПИТАНИЕ
Что такое голод. Пища для живого организма служит
одновременно и топливом, и «строительным
материалом», используемым на построение различных тканей.
Если организм
получает все
необходимые для его роста
и жизнедеятельности
материалы—он сыт.
Если же пища
длительное время
содержит не все
необходимые для организма
вещества или
содержит их в
недостаточном количестве,
жизнедеятельность
организма становится всё
более и более
вялой — организм
испытывает голод. Это
относится к
животным и растениям.
Для нормальной
деятельности
организма человека
необходимо, чтобы
пища содержала
белки, жиры и углеводы (а кроме того некоторые соли и
витамины). Познакомимся с ними подробнее.
^еоль
Рис. 14. Обугливание сахара серной
кислотой»
53

Углеводы. Истолчём в пудру обыкновенный сахар
(свекловичный или тростниковый С12Н22О11). Насыплем
её в узкий стаканчик (рис. 14) и обольём небольшим
количеством крепкой серной кислоты. Кислота очень
быстро отнимет от сахара воду — он обуглится,
вспухнет и превратится в объёмистую ноздреватую массу.
Эта реакция идёт с выделением большого количества
тепла. Поэтому выделяющаяся из сахара вода
испаряется, и над горлышком стаканчика хорошо видно
образование мелких капелек воды. Точно так же ведут
себя глюкоза или виноградный сахар СбН12Об, крахмал,
а также вещество, из которого построены стенки
клеток растений, — целлюлоза (клетчатка).
Из-за лёгкости
#атом разложения на угле-
углерода род и воду и из-за
того, что формулы
атом этих веществ вы-
°" водорода глядят так, как
будто несколько атомов
атом углерода соединены
@~ кислорода с несколькими
молекулами воды (ведь
СбН12Об можно
представить, как 6С+-
+6Н20!), этот класс
соединений получил
название
«углеводы». Строение
простейшего углевода —
глюкозы —
изображено на рисунке 15.
Рис. 15. Строение молекулы глюкозы. Углеводы могут
превращаться друг
в друга, присоединяя или отщепляя при этом воду.
Крахмал, например, можно превратить в простейший
углевод — глюкозу. Тростниковый сахар С12Н22О11 также
превращается в простейшие углеводы:
С12Н22011+ Н20—»2С6Н1206.
Это превращение вызывают разбавленные кислоты и
некоторые вещества, находящиеся в живых организмах.
Замечательно, что такая реакция осахаривания идёт при
54

невысоких температурах — это имеет первостепенное
значение для усвоения углеводов растениями и животными.
Возможна и обратная реакция — превращение простых
углеводов в сложные: 2C6Hi206 — С12Н22О11 -+- Н20.
Такие реакции идут при фотосинтезе в растениях и приводят
к образованию крахмала и целлюлозы.
Окисляясь в живых организмах при дыхании,
углеводы выделяют большое количество тепла.
Углеводы — не только пищевой материал, но и важное
промышленное сырьё. Они используются для
производства винного спирта, хлопчатобумажных тканей,
искусственного шёлка, бумаги, бездымного пороха, пластмасс
и т. п.
Жиры. Жиры—вторая необходимая часть нашей
пищи. Это — сложные вещества, особенности которых
удобнее всего пояснить на более простых примерах.
Если нагреть винный спирт с каким-либо водоотни-
мающим веществом, например с серной кислотой, то две
его молекулы отщепляют воду и образуют простой
эфир, в котором атом кислорода связывает остатки двух
молекул спирта:
с2н*№±н] ос2н5 -А~4 с2нб~о-с2н5+н2о.
спирт спирт 14U этиловый эфир
Ещё легче происходит отщепление воды от одной
молекулы спирта и одной молекулы уксусной кислоты:
С2Н5ОН + НООССНз £* С2Н5ООССН3 + Н20.
спирт уксусная кислота уксусноэтиловый
эфир
При этой обратимой самопроизвольно идущей реакции
получается сложный эфир, в котором атом
кислорода связывает остаток молекулы спирта с остатком
кислоты. Сложные эфиры дают любые кислоты и любые
спирты, в том числе и трёхатомный спирт — глицерин.
Трёхатомным он называется потому, что в его молекуле
есть 3 спиртовые группы ОН; формула глицерина
СН2ОН—СНОН—СН2ОН. Жиры и являются сложными
эфирами, образованными глицерином и жирными
кислотами, т. е. глицеридами жирных кислот.
В состав жиров входят стеариновая кислота С17Н35СООН,
пальмитиновая Ci5H3iCOOH и менее богатые водородом
(ненасыщенные) кислоты, например олеиновая кислота
С17Н33СООН.
55

В образовании жиров участвуют все три спиртовые
группы глицерина. Значит, одна молекула жира
образуется из одной молекулы глицерина и трёх молекул
жирной кислоты. Это и указывается в названиях жиров: три-
стеарин — жир, образованный глицерином и стеариновой
кислотой; триолеин — жир, получающийся из олеиновой
кислоты и глицерина, и т. д.
О приблизительном составе некоторых натуральных
жиров даёт представление следующая табличка:
Жир
1 Говяжье сало . * .
Коровье масло . .
Хлопковое масло .
Льняное масло . .
Процент
тристеа-
рина и
трипаль-
митина
75
53
25
8
Процент три-
олеина идругих
ненасыщенных
глицеридов
25
39
72
78
Процент
прочих

глицеридов
0
8
3
14
Мы видим, что в жирах животного происхождения
преобладают насыщенные глицериды, а в растительных
маслах — ненасыщенные.
Триолеин, как и другие ненасыщенные глицериды и
соединения, можно перевести в насыщенные (тристеарин),
действуя водородом в присутствии катализаторов —
веществ-посредников, облегчающих и направляющих
реакцию. В промышленности такой процесс проводится
с растительными маслами и носит название
«гидрогенизация жиров». Получаемые при этом насыщенные продукты
используются для мыловарения, изготовления
маргарина и т. п.
Как и все сложные эфиры, жиры гидролизуются,
омыляются водой, ещё лучше — кислотами и
особенно хорошо — щелочами. При действии щёлочи на
жиры получаются мыла (отсюда и название реакции —•
«омыление»):
Тристегрин + едкий натр -> глицерин + мыло.
Обыкновенное мыло и есть натриевая соль стеариновой
кислоты.
Жиры в организмах составляют запас пищевых
материалов. При сгорании они выделяют много тепла.
56

Белки. Белки — тот сложный материал, из которого
состоит вещество живой клетки — протоплазма. Кроме
углерода, водорода и кислорода, молекулы белков всегда
содержат азот, а в ряде случаев — ешё серу, фосфор и
некоторые другие элементы.
Состав и строение белков узнают с помощью гидро*
лиза — расщепления белков водой под влиянием кислот.
При продолжительном гидролизе белки дают соединения,
называемые аминокислотами. Примером их может
служить аминоуксусная кислота NH2—СН2—СООН,
отличающаяся от уксусной тем, что вместо одного атома Н
она содержит остаток аммиака — аминогруппу NH2.
Аммиак— слабая щёлочь. Поэтому аминокислоты
проявляют одновременно и свойства кислот, и свойства
щелочей. Но ведь кислоты и щёлочи обязательно
взаимодействуют друг с другом! Значит, одна молекула
аминокислоты может сразу образовать соединение с двумя
другими такими же молекулами, реагируя с одной из
них как с кислотой, а со второй — как со щёлочью. При
этом на одном конце новой, втрое большей молекулы
опять окажется аминогруппа, а на другом — группа
СООН. Эта молекула может образовать с двумя другими
ещё большую молекулу. В действительности так и
происходит: образующиеся в природе белки имеют очень
большие молекулы, в 2000—10 000 раз более тяжёлые, чем
молекулы воды. Так, яичный белок имеет молекулярный
вес 34 000, белок гемоглобина — около 66 000, а
желатина — 150 000.
Белки делятся на растворимые (в воде, в слабых
растворах солей, в водно-спиртовых смесях) и
нерастворимые. Растворимые белки при нагревании
свёртываются. Такой переход совершается, например, при
варке яиц.
Кожа, волос и шерсть — тоже белки. Хотя они и не
растворяются ни в каких растворителях, их можно гидро-
лизовать кипячением с кислотами и таким образом узнать
их состав. Молекулы нерастворимых белков ещё крупнее,
чем молекулы растворимых белков. При гидролизе
многих из них сначала образуется желатин, а затем клей,
то-есть растворимые белки, а уже потом гидролиз идёт
дальше, до образования аминокислот.
Организмы животных, особенно — высших, не
обладают способностью «синтезировать», то-есть строить ами-
57

нокислоты и белки из простейших веществ. Они
получают белки в готовом виде из пищи и только
перестраивают их. Растения же синтезируют аминокислоты и
белки из углекислоты, воды и минеральных азотистых
соединений— солей азотной кислоты, аммиака. В сельском
хозяйстве азотистые удобрения применяют именно для
усиления питания растений азотом, который идёт для
синтеза белков. Таким образом, азот, подобно углероду и
кислороду, тоже совершает в природе «круговорот»,
переходя от простых минеральных соединений к очень
сложным органическим соединениям — белкам. При распаде,
Рис 16. Круговорот азота в природе.
гниении белков азот опять выделяется в виде простых
соединений — аммиака и его солей, а частью — в виде
свободного азота. Этот круговорот азота в природе
изображён на рисунке 16.
Катализаторы в живых организмах. Почему в
винограде накапливается сахар состава СбН^Об, в свёкле —
сахар С12Н22О11, а в картофеле — более сложный
углевод— крахмал? Почему у коровы — травоядного
животного— накапливается сало, а не растительное масло?
Конечно, это отчасти объясняется различием условий,
при которых протекают химические процессы в том или
другом организме: различной температурой, разным
освещением и т. п. Но главное здесь — присутствие в орга-
58

низмах тех или иных «ферментов» или, как их ещё
называют, «энзимов». Это — биологические
катализаторы, особые вещества, ускоряющие и
направляющие биохимические процессы. Многие процессы в природе
протекают избирательно, то-есть в определённом
направлении, и это помогает организмам растений и животных
перерабатывать пищу в вещества, свойственные именно
данному виду организма. Поэтому нет ничего
удивительного в том, что в картофеле накапливается именно
крахмал, а в свёкле — сахар. Всё это — результаты реакций,
направляемых ферментами.
В таблице на стр. 56 мы видели, что в растительных
маслах содержится тристеарин, составляющий основу
говяжьего сала. Мы отметили также, что триолеин при
известных условиях может присоединять водород и
превращаться в тристеарин. Установлено, что эта реакция
происходит и в живых организмах под влиянием
восстановительных ферментов. Жир триолеин перерабатывается
в организмах травоядных животных в сало.
Наши примеры показывают, что белки, жиры и
углеводы не просто включаются из пищи в состав тканей и
клеток организма, а проходят соответствующую «кухню».
Они гидролизуются, окисляются, восстанавливаются,
расщепляются и снова образуют сложные вещества — белки,
жиры и углеводы, но уже иного состава и строения,
нужного для данного вида организма.
В качестве примеров ферментов, направляющих такие
реакции в организмах, можно привести «диастаз»,
содержащийся в слюне, вызывающий осахаривание крахмала,
«пепсин» желудка, «трипсин» поджелудочной железы и
«эрепсин» кишечника — гидролизующие белки, «липазу»
печени, омыляющую жиры.
Почему в тесто нужно добавлять дрожжи или
питьевую соду? Не всегда белки, жиры и углеводы пищевых
продуктов находятся в удобной для усвоения форме.
Хлебные злаки богаты питательными веществами, но
непосредственно в пищу они не идут, а подвергаются
предварительной обработке — помолу, варке, выпечке. Для
чего это нужно?
Размеры растительных клеток очень малы: отдельные
клетки можно рассмотреть только в микроскоп. Даже
самый тонкий помол не доводит измельчение зерна до
отдельных клеток. А ведь белковые вещества и крахмал
52

находятся внутри растительной клетки, стенки которой
состоят из целлюлозы, стойкого вещества, почти не
поддающегося перевариванию в желудке. Чтобы организм
мог извлечь питательные вещества из такой растительной
клетки, необходимо разрушить её стенки. Это разрушение
и происходит под действием воды и высокой температуры
при выпечке хлеба или при варке картофеля.
При варке злаков зёрна крахмала разбухают и
образуют клейкую массу. Если к тесту не прибавлены
дрожжи, то после выпечки получается твёрдая, непористая
масса (галеты), тоже не легко перевариваемая. Под
влиянием же дрожжей, содержащих фермент кислотного
брожения, тесто «скисает» — из содержащихся в нём
углеводов образуются в небольших количествах уксусная
и молочная кислоты. Это брожение сопровождается
выделением углекислоты. Углекислота придаёт тесту
ноздреватость, разрыхляет его, особенно сильно — при
нагревании во время выпечки. Это делает хлеб несравненно
более удобоваримым.
Такого же результата можно добиться и без дрожжей,
воспользовавшись веществами, которые разлагаются при
температуре выпечки хлеба и выделяют углекислоту
(например, углекислым аммонием (NH^COs или питьевой
содой NaHC03):
нагревание
2NaHC03->Na2C03 + С02 + Н20.
При замене дрожжей этими веществами тесто уже не
нужно оставлять «подходить», так как в этом случае
углекислота образуется не за счёт медленной реакции
брожения углеводов, а за счёт быстрого разложения соли,
идущего только при нагревании.
Что общего имеется в скисании теста, образовании
уксуса из винограда, простокваши из молока, спирта из
крахмала? Общим во всех этих случаях является то, чта
все эти превращения — реакции с участием ферментов.
Как и образование уксусной и молочной кислот в тесте,
так и превращение виноградного вина в уксус при
стоянии на воздухе происходит под влиянием бактерий. Они
попадают в вино из воздуха, выделяют ферменты
кислотного брожения и вызывают реакцию:
СН3СН2ОН+ 02^^СН3СООН + Н20.
спирт уксусная кислота
60

Таким же образом из молока при стоянии на воздухе
получается простокваша; она содержит молочную
кислоту, образующуюся из молочного сахара.
Брожение под влиянием бактерий может происходить
только у таких веществ, которые являются подходящей
для бактерий питательной средой. В виноградном вине
винного спирта немного и бактерии в нём хорошо
развиваются. Но если эти же бактерии поместить в чистый
спирт (96-процентный), то они погибнут. Поэтому спирт
не превращается в уксусную кислоту, когда в него
попадают бактерии, вызывающие кислотное брожение.
Однако для многих бактерий сам уксус — плохая
среда. Поэтому его применяют для консервирования
(маринования) пищевых продуктов.
Производство винного спирта — пример
искусственно осуществляемого ферментативного процесса.
Исходные материалы для него (картофель, зерно) богаты
углеводами, в частности — крахмалом. Однако не все
углеводы способны бродить. Бродят только простейшие
углеводы; более сложные углеводы, например
крахмал, должны быть предварительно «осахарены» —
превращены в простейшие углеводы. Образование винного
спирта из крахмала — сложный процесс, Каждая его
стадия идёт под влиянием специального фермента, как
это показывает следующая схема:
фермент диастаз
Крахмал + вода (£олод) - ^Цтоза)
фермент мальтаза
Мальтоза + вода — > глюкоза
(дрожжи)
фермент зимаза
Глюкоза > спирт + углекислота.-
(дрожжи)
Необходимый для осахариваыия крахмала фермент
диастаз содержится в солоде — проросших зёрнах ячменя.
Образование же и брожение глюкозы происходит под
влиянием ферментов, вырабатываемых дрожжевыми
грибками, — мальтазы и зимазы.
Протекающие в живых организмах процессы ещё
более сложны. Но и здесь наблюдается такое же строгое
«разделение труда» — каждый из ферментов «заведует»
каким-либо одним направлением превращения веществ.
31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В нашем кратком очерке мы осветили лишь некоторые
интересные явления, происходящие в природе и в
технике. Но нельзя забывать, что современная химия
проникла во все области народного хозяйства. На
предприятиях и заводах создаются в настоящее время материалы,
не встречающиеся в природе в готовом виде. Наряду с
природным сырьём они стали основой современной
техники. Это нетрудно показать на нескольких примерах.
Авиация требует топлива высокого качества. Химия
открыла пути улучшения качества и увеличения количества
бензинов, выделяемых из нефти. Химия дала также
способы искусственного получения углеводородов и важных
добавок для составления наиболее высококачественных
авиабензинов; эти углеводороды и добавки получаются
теперь сотнями тысяч тонн. Новый этап в развитии
авиации — применение реактивных двигателей — также
оказался возможным потому, что химия нашла для этой цели
ряд новых материалов, в том числе и новые виды топлива.
Шины, камеры и множество других частей самолётов
и автомашин изготовляются из каучука и резины. Однако
природа не слишком щедро наделила земной шар
каучуконосными растениями, да и произрастают они далеко не
везде. Химии пришлось разрешить вопрос о синтезе
каучука из простых и доступных видов сырья. В настоящее
время синтетический каучук получается в количествах,
в несколько раз превышающих количества добываемого
натурального каучука. Родина синтетического каучука —
СССР. Первый промышленный способ синтеза каучука
разработал академик С. В. Лебедев. По этому способу
советская химическая промышленность выпустила первый
в мире синтетический каучук. Организация этого
важнейшего производства проходила при личном содействии
товарищей И. В. Сталина и С. М. Кирова. В настоящее
время вырабатывается уже много сортов синтетического
каучука, не только не уступающих натуральным каучу-
кам, но и превосходящих их. Сырьём для этих
производств служат спирт, ацетилен, а также некоторые газы,
получаемые при переработке нефти.
Химия дала текстильной промышленности ряд новых
синтетических материалов, из которых вырабатываются
прочные красивые шёлковые ткани и другие изделия.
62

Новые созданные химией материалы — пластмассы —
заменили для многих технических целей металлы я
стекло. Различные детали автомобилей, самолётов и
других машин, а также множество предметов домашнего
обихода изготовляется теперь из пластмасс.
Не так уж давно красители для тканей добывались
только из растений и животных. Число этих красителей
было невелико, а способы их выделения из сырья очень
сложны и трудоёмки. Химия создала тысячи сортов
красителей самых разнообразных цветов и оттенков,
совершенно вытеснивших из употребления красители естествен*
ного происхождения.
Взрывчатые вещества — соединения с громадным
запасом внутренней, химической энергии. Они неустойчивы
и в природе не существуют. Все они являются
исключительно продуктами производства химической
промышленности и находят применение в оборонном деле, при
горных, земляных и т. п. работах.
Немало жизней спасли синтетические лекарственные
препараты — стрептоцид, сульфидин, сульфазол и
множество других. Некоторые синтетические препараты
действуют не только на человека и животных. Разработаны
способы получения ряда соединений, получивших
название «ростовых веществ». Они приобрели большое
значение в садоводстве и других отраслях сельского
хозяйства, влияя на рост и созревание растений. Напомним,
кстати, что сельское хозяйство требует огромных
количеств удобрений, вырабатываемых химической
промышленностью.
Ни производство красителей, взрывчатых веществ,
лекарственных препаратов и пр., ни производство
искусственного волокна, пластмасс или каучука невозможны
без кислот, щелочей и солей. Поэтому-то производство
кислот, щелочей и солей составляет «основную»
химическую промышленность.
Добавим к сказанному, что и металлургия многое
черпает из химии: способы переработки руд, составление
новых сплавов, защита металлов от коррозии — всё это
тесно связано с химией.
Значение химии в народном хозяйстве было особенно
подчёркнуто при рассмотрении 3-го пятилетнего плана
развития народного хозяйства СССР на XVIII съезде
партии, происходившем в 1939 году. В этом плане
63

особенное внимание уделялось развитию химической
промышленности. Поэтому 3-я сталинская пятилетка
вошла в историю под названием «пятилетка химии».
Химия как наука стояла на очень высоком уровне
и в дореволюционной России. Работы М. В. Ломоносова,
Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова, В. В. Марковникова,
А. Е. Фаворского, Н. Д. Зелинского и многих других
русских учёных заложили основы современной химии и
сделали русскую химию самой передовой. Достижения
русской химии широко использовались за границей, но в
России до Октябрьской революции химической
промышленности почти не существовало; страна была в полной
зависимости от английской, французской и особенно
германской химической промышленности.
После Великой Октябрьской социалистической
революции положение коренным образом изменилось. В СССР,
создана мощная передовая химическая промышленность,
освободившая страну от иностранной зависимости. Эта
промышленность с честью выдержала такую строгую
проверку, какой была Великая Отечественная война 1941—
1945 годов, потребовавшая невиданных в истории
человечества количеств взрывчатых веществ, моторного топлива,
каучука и всех других видов химической продукции.
В СССР созданы десятки крупных превосходно
оснащённых научно-исследовательских институтов, в которых
тысячи советских химиков разрабатывают научные и
народнохозяйственные проблемы.
Наши химическая наука и химическая
промышленность идут и развиваются своими, независимыми от
капиталистических стран, путями и активно участвуют в
решении общенародной задачи, поставленной перед
трудящимися нашей Родины товарищем Сталиным — в
построении экономического фундамента для перехода к
коммунизму.

ГОСУЛАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
к. ВОРОНЦОВ-ВЕЛЬЯМИНОВ- Пронсхожде»
.. А. МАЛИНОВСКИЙ- Строение и
Проф. А- И. ЛЕБЕД1
"--ф. К-Ш-ОГОРО,.
I. ИЛЬЯШЕНКО. Быотрее звука.
ф. В- А. ДОРФМАН- Мир живой и неживой.
ф. В. В. ЕФИМОВ. Сон н сновидении.
р. Г. С- ГОРЕЛИК н М. Л- ЛЕВИН. Радиолокация.
[. ОХОТНИКОВ- В мире застывших звуков.
М- КУШНИР. Окно в невидимое.
Е- П. ЗАВАРИЦКАЯ. Вулканы. „
Проф. А. И. КИТАЙГОРОДСКИЙ. Строение вещества.
Акад. В. А. ОБРУЧЕВ. Происхождение гор и материков.
Проф. Р. В. КУНИЦКИИ- Было ли начвло мира.
Проф. Г. П. ГОРШКОВ. Землетрясения.
Проф. И- Ф. ПОЛАК. Время и календарь.
Л. П- ЛИСОВСКИЙ " "
роде "/ехнике-
i А. Е. САЛОМОНОВИЧ. Треине ■ при-
A. С- ФЕДОРОВ. Огненный воадух.
Проф. Н- А. ВАЛЮС. Как видит глаа.
Проф. Б- Б- КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул.
Проф. В. И. ГРОМОВ. Иа прошлого Земли.
Э- И. АДИРОВИЧ. Электрический ток-
B. С. СУХОРУКИХ. Микроокоп н телесиоп.
A. С. ДАНЦИГЕР. Электричеокая лампочка.
Г. А. ЗИСМАН. Мир атомв.
B. Д. ЗАХАРЧЕНКО Мотор.
В- Д.ОХОТНИКОВ. Магниты-
Б- Н- СУСЛОВ. Между пылинками и молекулами.
Д. 3. БУНИМОВИЧ. фотография.
Д. А. КАТРЕНКО. Чёрное золото.
B. И- ТАЛОНОВ. Электроны.
C. Г. СУВОРОВ. О чбм говорит луч света-
Проф. Г. С- ЖДАНОВ. Рентгеновы лучи.
Н. В- КОЛОБКОВ. Грозы и бури.