/
Текст
к.манолов Г^^ПГЧГ"ЙГЧГК~Ъ
Д.ЛАЗАРОВ [Ф% mjL9M ГА I
и. л и л о в ^"■^>вв^^ии^,ввгш1
К. МАНОЛОВ Д. ЛАЗАРОВ ИВ. ЛИЛОВ
ЗАКОНОДАТЕЛ-
СТВОТО
В ХИМИЯТА
НАРОДНА ПРОСВЕТА • СОФИЯ • 1970
К. МАНОЛОВ, Д. ЛАЗ АРОВ, И. ЛИЛОВ
У ХИМИИ
свои
ЗАКОНЫ
Издание 2-е,
стереотипное
Перевод с болгарского Е. В. СМИРНОВОЙ
под редакцией профессора
Р. Б. ДОБРОТИНА
Издательство «ХИМИЯ»
Ленинградское отделение • 1977
540
М23
УДК 541
Манолов К., «Назаров Д., Лилов И.
М23 У химии свои законы. Болгария, 1970. Пер.
с болг. под ред. проф. Р. Б. Добротина. Изд. 2-е,
стереотипное. Л., «Химия», 1977.
Стр. 376, рис. 130.
Книга состоит из нескольких рассказов, охватывающих ряд
физико-химических явлений и закономерностей. В живой, порой
фантастической форме беседы капелек воды, школьного урока, где
ученики — атомы, рассказано о диффузии, осмосе, концентрации
раствора, о строении атома и катализе...
В книге сообщаются интересные сведения о жизни и работе
многих выдающихся ученых — химиков и физиков, дается
хронология важнейших событий из истории химии.
Книга адресована всем интересующимся химией, а особенно
школьникам и учителям.
Составители: Ева Соколова
Бота Грекова
Иллюстрации — Б. Бенев
© Перевод на русский язык. Издательство «Химия», 1975,
К СОВЕТСКОМУ ЧИТАТЕЛЮ
Здравствуйте, дорогие друзья! Мы рады
познакомиться с вами — нас сближает любовь к химии,
желание узнать ее тайны, ее чудеса.
Еще в глубокой древности люди умели превращать
виноградный сок в вино, а вино — в уксус, получать
некоторые металлы из руд, варить стекло.
Люди давно уже могли сказать, ЧТО получится,
когда одно вещество взаимодействует с другим, но не
знали, ПОЧЕМУ это происходит.
«Детство» химии продолжалось до XVIII века,
когда накопилось достаточно много сведений, чтобы
можно было обобщать и систематизировать, когда из
множества правил и рецептов «всплыли» законы,
которые управляют химией. Только с тех пор она стала
настоящей наукой.
В наши дни стали действительностью полеты в
космос. Жители Земли побывали на Луне. Человек
ступил на самые высокие горные вершины, спустился на
сотни метров под воду. Машины, созданные
человеком, преодолевают огромные расстояния, обрабаты-.
вают металлы и камень. Машины считают, машины
переводят, машины строят дома и другие машины.
Человек познает вещество и учится управлять им.
Древесину он превращает в бумагу и ткани.
Нефтяные продукты заставляет конкурировать с
белоснежным хлопком и пушистой шерстью овец. Из угля
5
получает соединения, которые превращаются в
лекарства и краски. На суше и в море человек отыскивает
полезные металлы и минералы.,.
Законы, которые управляют веществом, — это
законы химии. Сейчас уже многие из них в руках
ученых. Они открыты, проверены, объяснены в учебниках
и используются в лабораториях и на заводах. Другие
законы все еще неуловимы, все еще являются
загадкой.
Но времена поисков вслепую проходят. Сейчас нам
точно известно, какие условия необходимо
поддерживать, чтобы интересующий нас процесс протекал с
необходимой скоростью и высокой производительностью.
Нам известно, когда и зачем нужны высокие
температуры, в какой момент необходимо охлаждение, какие
добавки улучшат качество металла, красителя,
лекарства...
Около двух столетий назад философ Иммануил
Кант не хотел признавать химию наукой. Он называл
ее сводом правил.
Сейчас никто не станет спорить, что химия —
стройная, многогранная наука. Химические явления, как и
все явления природы, не случайны. Они подчинены
строгим закономерностям, причина которых кроется
в строении вещества.
Современная химия, со всеми ее замечательными
открытиями, является результатом общих усилий
многих поколений исследователей. Но то, что известно
сегодня, — это не предел человеческим знаниям. И
сегодняшним молодым читателям немало предстоит
новых открытий...
6
Мы написали рассказы по химии на болгарском
языке. Мы искренне рады, что они переведены на
русский язык и находятся уже в руках наших друзей
из страны Ломоносова и Менделеева.
У химии — свое законодательство, свои законы.
Давайте же познакомимся с ними!
Авторы
София. 5.VII. 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Могут ли атомы сидеть за партами, как ученики,
вести разговор с учителем о собственном строении?
Может ли простая капля воды видеть и слышать то,
что происходит вокруг нее, а потом делиться своими
впечатлениями?
— Конечно, не может этого быть! — скажут одни.
— Но в это можно поверить,—скажут другие,—
если использовать образный язык, замечательную
способность людей создавать сказки и легенды, в
которых мысли и чувства человека выражают не только
звери, птицы и рыбы, но и неодушевленные
предметы— растения, камни, вещи. Ведь верим же мы
Маленькому Принцу — герою Экзюпери, живущему
на крошечной планете, где нет и не может быть, по
законам физики, ни заметного тяготения, ни
атмосферы. ..
Именно руководствуясь этими особыми законами
фантазии, создали болгарские авторы книгу живых
рассказов о химии, где предметы — объекты
химического исследования — сами рассказывают о себе,
о тех превращениях, которые они испытывают, и о тех
людях, которые занимаются их исследованием. И вот
вместо сухого изложения научных фактов появилась
почти сказка, в которой речь идет, однако, о вполне
серьезных вещах, порой настолько сложных, что они
изучаются только на старших курсах студентами
химических вузов. Авторы книги попытались разъяснить
не только традиционные вопросы школьной
программы— теорию растворов, строение атомов и
химическую связь, но и принципы химической кинетики,
учение о скоростях химических реакций, теорию
катализа и адсорбции.
Особенно важно то, что в рассказах о химических
законах и сложных опытах встают живые люди. Читая
книгу, мы как бы знакомимся с творцами химической
науки, именами которых названы законы и теории,
8
присутствуем при разговоре, который мог бы
происходить более 100 лет назад между Менделеевым и
Бородиным. Мы видим великих ученых, беззаветно
преданных своему делу, мыслителей и тружеников.
В последних главах книги мы встречаемся уже с
современным энтузиастом химии, любящим свое дело
скромным инженером. После работы он устраивает
для мальчишек и девчонок у себя во дворе
увлекательные вечера «химического волшебства», где
исподволь, ненавязчиво помогает ребятам узнать и
полюбить эту науку.
Переводчик и издательство стремились сохранить
характер болгарской книги, сознавая, однако,
условность, приблизительность трактовки многих вопросов,
что неизбежно при популяризации. Некоторые
изменения касаются главным образом методики
изложения ряда сложных вопросов физической химии.
Мы надеемся, что книга наших болгарских друзей
будет встречена с интересом советским читателем и
принесет пользу и учителям, и учащимся, и всем
любознательным при изучении химии.
Профессор Р. Б. Добротин
Атомы, молекулы, растворенные частицы — невидимы?!
Микромир — непознаваем?! Немногим более ста лет
назад представление о молекулах и атомах как о
частицах, составляющих материю, было гипотезой, вокруг
которой спорили химики, собравшиеся в 1860 г. на
Всемирный конгресс в городе Карлсруэ. Сегодня атомы и
молекулы уже не требуют адвокатов. В распоряжении
ученых находятся их изображения, полученные с
помощью ионного проектора и электронного микроскопа.
На снимке, полученном на электронном микроскопе, —
коллоидные частички золота. Каждая такая частичка
содержит несколько десятков тысяч атомов.
ЗАПИСКИ ОДНОЙ КАПЛИ
«Химия — это искусство, которое учит, как
растворять природные тела». Такое определение науки о
веществах и их превращениях встречалось во многих
книгах алхимиков и перекочевало даже в некоторые
учебники химии XVII—XVIII веков. Современный
читатель с иронией отвергает подобное определение
как слишком узкое. И все-таки оно представляет
интерес, потому что раскрывает перед нами
особенности химии прошлых столетий. Это определение
подчеркивает, какое большое значение придавалось
растворению в процессах химических превращений
и какую огромную роль играли растворы в
многовековой истории химического производства.
Растворы, без которых немыслимо получение
многих веществ, приобрели значение уже тогда, когда
химия делала свои первые шаги.
Наряду с «философским камнем», который якобы
мог служить для превращения любого металла в
золото, и «эликсиром жизни», будто бы позволявшим
возвращать молодость и воскрешать из мертвых,
неосуществленной мечтой алхимиков остался и
универсальный растворитель «алкагест» — вещество,
которое растворяет все! Этот чудесный растворитель
позволил бы совершать опыты со всеми веществами.
Ведь реакции легче всего протекают в растворах.
Конечно, опыты алхимиков с целью получения
универсального растворителя остались
безрезультатными. Бессмысленность подобных усилий раскрывает
иронический вопрос Иоганна Кункеля: «Обладатели
«алкагеста», в чем вы его будете хранить?»
Но даже ведущиеся вслепую поиски могут дать
иногда интересный результат. Алхимикам и их
последователям удалось открыть многие растворители.
Стало ясно, что вещества имеют разную
растворимость в различных растворителях. Была установлена
зависимость между растворимостью вещества и
11
температурой. Опыт, накопленный в лабораториях
алхимиков, был обобщен новым поколением химиков,
для которых уже представляли интерес не только
сами явления и их результаты, но и причины,
порождающие эти явления. Имена самых крупных ученых
химиков, работавших в XVI—XVIII веках, связаны с
развитием учения о растворах. Появились и первые
теории, которые ставили своей задачей объяснение
«исчезновения» одного вещества при растворении его
в другом.
В XVII веке согласно теории Бойля растворение
рассматривалось как механический процесс. Частицы
(корпускулы) растворителя проникают в поры тел и
отрывают от них частички. Эти частички, в свою
очередь, заполняют поры растворителя и таким образом
получается единый раствор. Корпускулярная теория
допускала, что при распределении частиц в порах
большое значение имеет их геометрическая форма.
В 1704 г. Исаак Ньютон выдвинул новую теорию.
Он считал, что «частицы притягиваются друг к другу
силой, которая особенно велика в момент их
соприкосновения». В своей рукописи «О природе кислот»
великий создатель небесной механики пишет:
«...Посредством сил притяжения кислоты разрушают тела.
В этом заключается сущность растворения». Теория
Ньютона, в основе которой лежат его представления
о всемирном тяготении, очень обща. Необходимо
было более конкретное рассмотрение процесса
растворения. И оно не замедлило появиться.
Не случайно в работах Ломоносова растворение
занимает значительное место. Первый научный труд
Ломоносова по физической химии, вышедший в
1745 г., посвящен растворению — это его диссертация
«О действии химических растворителей».
Французский химик Лавуазье в 1789 г. определил
растворение как процесс, при котором не происходит
никакого химического разложения или взаимодействия
между растворителем и растворенным веществом.
Свой вклад в теорию растворения внесли и такие
ученые, как Бертолле, Берцелиус, Ловиц, Менделеев.
И хотя некоторые представления этих ученых сейчас
отвергнуты, роль их в развитии химии была значи-
12
тельной. Споры, критика, отрицание неверного
постепенно приближали к истине.
О том, как ученые исследовали поведение
растворов, нам расскажет на следующих страницах одна
необыкновенная капля. Читателю не нужно
напоминать, что эта капля — выдумка. И все же поверьте
ей. Отправляйтесь с ней в путешествие, и вы узнаете
многие из тех тайн растворения, которые стали
достоянием науки.
НЕОБЫКНОВЕННОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ
Говорят, я самая обыкновенная капля и ничем не
отличаюсь от своих сестер. Это неверно. Да, я
действительно похожа на миллиарды других капель,
которые составляют океан, но это не значит, что я
такая же, как они. Я сгораю от любопытства — хочу
узнать что-нибудь новое, увидеть что-нибудь
интересное, познать мир.
Однажды огромная волна подхватила меня,
подбросила высоко вверх, и я полетела вместе с
тысячами моих сестер. Я решила: поймаю солнечный луч—
и всегда буду сверкать. Этот луч так меня согрел, что
мне стало легко-легко, и теплый воздух унес меня в
простор синего неба. А потом... Не хочу рассказывать,
какой ужас пережила я, когда неслась в черной туче.
Страшные молнии прорезали небо, а земля трепетала
от раскатов грома. Вдруг я почувствовала, что стала
тяжелее и полетела вниз. От большой скорости я
потеряла сознание. Когда я очнулась, вокруг была
странная тишина. Какой-то отвратительный запах душил
меня.
— Где я? — простонала я, полузадушенная
ужасными испарениями.
— Не видишь разве? Ты на берегу заводского
канала,— ответила мне толстая черная капля. Она
была совсем рядом со мной, и я испугалась, что ей
захочется схватить меня.
— Не прикасайся ко мне! Ты меня запачкаешь!
Видишь, какая я чистая и прозрачная! — сказала я
ей жалобным голосом.
13
— Ха-ха!—надменно засмеялась толстая капля.—
Чистая и прозрачная. А кто ты такая? Капля
дистиллированной воды! Простой растворитель. Ты
не содержишь даже растворенного вещества, не
имеешь концентрации, ты — нуль и с горя сердишься
на все.
Она презрительно посмотрела на меня и
продолжала:
— Сестрицы, посмотрите, какая чудачка
появилась у нас.
Я смутилась от ее слов, не поняв почти ничего из
того, что она наболтала.
— Извините, вы говорите непонятные вещи. Не
можете ли вы мне сказать, что они означают и
откуда вы пришли сюда, что столько знаете?
— Из лаборатории. Там стеклянные бутыли
наполнены самыми различными растворами. И мы там
были... А после анализа нас вылили в этот канал.
— Но я не знаю даже, что такое «раствор».
— Вижу, что тебе нужно объяснять все с самого
начала. Раствор — это сложная система, которая
состоит самое малое из двух веществ; одно из них
раздроблено на мелкие частицы, обычно на молекулы
или ионы, и они равномерно распределены в другом.
Раствор представляет собой дисперсную систему.
Думаю, что ты не знаешь, что означает и слово
«дисперсная», поэтому сразу объясню тебе. Дисперсность
означает раздробленность.
— Значит, и я жила в растворе, — остановила я
толстую каплю. — Когда я была в море, между
моими молекулами воды были рассеяны частички
самых различных солей. Особенно много было
хлорида натрия. Однажды я поймала солнечный луч, он
меня согрел и я полетела к облакам, а растворенные
во мне соли рассеялись в виде мелких белых
пылинок.
— Да, ты была в растворе, не зная этого.
Поваренная соль или, как ее называют химики, хлорид
натрия, был растворенным веществом, потому что
его частицы были равномерно распределены в воде.
А ты, водяная капля, вместе с другими каплями
была растворителем.
— А существуют и другие растворы?
14
— Конечно. Растворы могут быть различными, и
это зависит, главным образом, от частиц
растворенного вещества. Если эти частицы — молекулы или
ионы, как я уже говорила, то образуется
обыкновенный раствор. Нужно, впрочем, предупредить тебя,
что бывают особые вещества, называемые
высокомолекулярными, но их растворы имеют совсем другие
свойства. Это объясняется тем, что размеры их
молекул очень велики по сравнению с обыкновенными
молекулами и ионами.
— По-видимому, на растворы существенное
влияние оказывает величина частиц растворенного
вещества?
— Да.
— А какие же размеры у частиц растворенного
вещества в обыкновенном растворе, в котором
была я?
— В обыкновенном растворе, или, как его еще
называют, в истинном растворе, размер частиц
растворенного вещества меньше 1 нанометра. Когда их
размеры от 1 до 100 нанометров, получается
коллоидный раствор, а при большем увеличении размеров
частиц образуется грубая дисперсия, или муть.
Коллоидным будет и раствор высокомолекулярных
соединений, несмотря на то, что частица растворенного
вещества состоит только из одной огромной
молекулы—макромолекулы. Макромолекула больше 1
нанометра, и это уже отражается на свойствах
растворов высокомолекулярных соединений.
— Извините меня, я опять вас прерываю. К стыду
своему, должна признаться: я не знаю, что такое
нанометр.
— Люди измеряют длину в метрах. Если
разделить метр на 1000 частей, то получится миллиметр.
Чтобы измерять более мелкие частицы, миллиметр
делят на 1000 частей и получают микрометр, а когда
микрометр разделят на 1000 частей, получится
нанометр. Молекулы и ионы большинства веществ
меньше одного нанометра. Если эти вещества
растворяются так, что их молекулы или ионы двигаются
самостоятельно между частицами растворителя, то
получается истинный раствор. Если при растворении
эти вещества делятся на частички, состоящие из 100,
15
1000, 1 000 000 или еще больше молекул, размеры
растворенных частиц вырастают до 1 нанометра и
раствор становится коллоидным или получается грубая
дисперсия.
— Да-да, понимаю, — перебила я нетерпеливо,
так как хотела показать ей, что и я тоже кое-что
знаю. — Однажды я видела огромную реку. Там вода
была очень грязной, потому что река текла по
глинистой местности и бесчисленные мелкие частички
плыли к морю. Некоторые частицы были очень крупные
и как только задерживались на поворотах,
опускались на дно, образуя толстый слой ила.
— Вот-вот. Это и была грубая дисперсная
система, которая называется еще суспензией, а частицы
твердого труднорастворимого вещества имели
размеры больше 100 нанометров, — важно сказала
толстая капля. — Если же частицы —труднорастворимая
жидкость, то дисперсная система называется
эмульсией.
Разговор был очень интересным, я невольно
приблизилась к черной капле и даже не заметила, как
дотронулась до нее. Неожиданно я почувствовала,
что со мной происходит что-то неладное. Огляделась
и... ужас! Молекулы толстой капли входили в мое
тело. Они медленно вползали в меня и губили мою
красоту.
— Помогите! Гибну!
— Опять что-нибудь случилось? — сказала с
укором толстая капля. — Почему ты кричишь?
— Не видишь разве? Твое растворенное вещество
влезло в меня! Я погибла!
— Какая ты необразованная капля! Это диффузия.
Диффузия — очень интересный процесс, который
совершается самопроизвольно. Если раствор
соприкасается с каким-нибудь растворителем,
растворенное вещество устремляется к растворителю и
проникает в него, и это продолжается до тех пор, пока
растворенное вещество не распределится равномерно
повсюду. Диффузия происходит и в том случае, когда
концентрация растворов неодинакова. Частицы
растворенного вещества перемещаются из раствора с
более высокой концентрацией в раствор с более низкой
концентрацией, пока концентрации не уравняются.
16
Посмотри, как быстро проникают в тебя черные
частицы!
Я не хотела ни смотреть, ни слушать, но
положение мое было безвыходным. Черные частицы влезли
в мое тело, а она, толстая капля, продолжала
говорить.
— Сейчас они двигаются быстро, потому что
разница концентраций очень велика. Потом будут
передвигаться медленнее, так как и ты станешь
раствором, подобно мне, и в конце концов у нас будет одна
концентрация.
— Тогда и закончится диффузия, — объявила еще
одна маленькая желтая капелька, которая оказалась
рядом с нами и тоже медленно чернела. — ПО
ЭТОМУ ПОВОДУ Я ВАМ РАССКАЖУ,
КАК БЫЛА ОБНАРУЖЕНА ДИФФУЗИЯ
Это было в середине прошлого века. Мартовское
солнце еще не могло растопить огромные сугробы,
наметенные зимними буранами. Но веселая капель и
первые нежные подснежники указывали, что весна
дошла и до Швейцарии.
В лаборатории университета в Цюрихе тоже
стало веселее. Здесь работали несколько молодых
людей, но больше всех мне нравился Адольф Фик.
Я любила смотреть, как он работает, и особенно —
слушать, как он беседует со своим другом Карлом.
А я тогда смирно сидела в бутылочке с раствором.
Однажды Фик достал стакан со светло-розовым
раствором, осмотрел его и с удивлением обернулся к
Карлу.
— Карл, ты брал раствор из этого сосуда?
— Нет. Он мне не нужен. А что?
— Несколько дней назад я оставил этот раствор,
чтобы проверить, можно ли его защитить от действия
воздуха. На дне был розовый раствор, а поверх него
я осторожно налил воды. В стакане были два ясно
разграниченных слоя: нижний розовый и верхний
бесцветный. Посмотри, пожалуйста, что получилось!
Карл посмотрел и сказал задумчиво.
— Наверное, кто-нибудь их перемешал. Чтобы
18
получился раствор одного цвета, обязательно нужно
перемешивать его.
— Но кто это сделал?
— Во всяком случае, я ничего не трогал. Другого
выхода нет — нужно повторить опыт.
— Жалко. Придется ждать целую неделю.
Фик снова налил розовый раствор на дно стакана,
а сверху осторожно, по стенке налил слой воды. Он
покрыл стакан стеклом и поставил в шкафчик, чтобы
никто к нему не прикасался. Дни пролетели быстро.
Через неделю Фик осторожно достал стакан, чтобы
посмотреть результат.
— Но это же фантастично! Слои снова исчезли.
— Теперь уж наверняка никто не трогал
стакана,— заметил Карл. — Должна быть какая-то другая
причина.
— Причина есть, но неужели это действительно
так? — Фик задумчиво разглядывал стакан.—Знаешь
ли, Карл, около 60 лет назад французский химик
Клод Луи Бертолле открыл интересное явление в
газах. Он назвал его диффузией.
— Да, помню из лекций профессора. Он
рассказывал, что Бертолле наполнил два одинаковых
сосуда разными газами — один водородом, другой
хлористым водородом, который много тяжелее
водорода. Он поставил сосуды в подвал Академии наук в
Париже на сутки для того, чтобы температуры в них
уравнялись. Затем Бертолле перевернул сосуд с
более легким газом — водородом — и установил его над
отверстием нижнего сосуда. Соединив плотно оба
сосуда, он оставил их еще на 24 часа. Когда стали
анализировать газы в этих сосудах, оказалось, что
более тяжелый газ поднялся в верхний сосуд, а
более легкий проник в нижний.
Так впервые было доказано, что частицы газов
двигаются во всех направлениях и стремятся
равномерно заполнить предоставленный им объем. Если в
сосуде имеются два газа или больше, то их частицы
перемещаются сами собой, пока не образуется
единая однородная смесь. Это явление и было названо
диффузией.
— Да, это свободная диффузия. Но неужели
она существует и при растворении? Частицы
19
Клод Луи Бертолле (1748—
1822) — французский химик,
профессор Политехнической
школы в Париже. Близкий
сотрудник и продолжатель идей
Лавуазье, бертолле первым
обратил внимание на роль
массы реагирующих веществ в
химических реакциях. Он
положил начало учению о
химическом равновесии. Многие
работы Бертолле были
посвящены решению чисто
практических задач. Он разработал
рецепты получения пороха,
окраски тканей, впервые
применил хлор для отбеливания
бумаги. Бертолле изучал
свойства сероводорода и
цианистоводородной кислоты, открыл
хлорат калия, названный в его
честь бертолетовой солью.
Бертолле известен и многолетним
спором с Жозефом Прустом,
который окончился победой
Пруста и утверждением
закона постоянства состава
химических соединений. Однако
теперь доказано, что
существуют соединения с переменным
составом, которые названы
«бертоллидами».
растворенного вещества сравнительно тяжелы. Если
оставить тело без опоры, то оно падает на землю, а
тут частицы двигаются в обратном направлении,
вверх. Почему? И в самом ли деле это так?
— Это нужно проверить, дорогой Адольф. Если
хочешь, могу даже помочь тебе в работе.
— Да, начнем, Карл! Приготовим несколько
окрашенных растворов и сделаем такие же опыты,
как с розовым раствором.
Они расставили на столе несколько стаканов. На
дно их налили розовый раствор, а поверх него
осторожно влили слой воды. Иногда вода стекала
слишком быстро и смешивалась с раствором. Тогда
приходилось начинать сызнова.
У Фика не хватало терпения. Он непрестанно
наклонялся и прищуренными от напряжения глазами
рассматривал границу между двумя слоями. Уже на
второй день он заметил, что граница между
раствором и водой начинает исчезать. Нижний раствор во
всех сосудах как бы начал набухать и вторгаться в
20
'.* РАЗБАВЛЕННЫЙ РАСТВОР ♦'
ЧАСТИЦЫ
РАСТВОРЕННОГО
ВЕЩЕСТВА
ПЕРЕМЕЩАЮТСЯ
ИЗ РАСТВОРА
С ПОВЫШЕННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИЕЙ
В PACT ВОР
С ПОНИЖЕННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИЕЙ
верхний слой воды. Постепенно водный слой
окрасился и в стаканах оказались только одноцветные
растворы.
Диффузия. Она существует и при растворении!
Но этого Фику было мало. Он хотел понять
сущность этого процесса, установить законы, которым он
подчиняется. Фик оставил другие свои работы.
Медицина и физиология перестали его интересовать. Для
него существовала теперь только диффузия. Опыты
с растворами. Опыты с газами. Нужно было
установить, от чего зависит скорость этого процесса, как
влияет температура, как отражается концентрация...
Наступило лето и прошло незаметно. Прошла и
осень, а Фик продолжал работать. За несколько
месяцев он установил закон диффузии — тот закон,
который теперь называют его именем. Адольф Фик
доказал, что диффузия происходит тем быстрее, чем
выше температура и чем больше разница
концентраций. Диффузия происходит всегда в определенном
направлении: частицы растворенного вещества
двигаются из раствора с более высокой концентрацией к
раствору с более низкой концентрацией.
Еще много других исследований провел Адольф
Фик. До конца своей жизни (до 1901 г.) он
самоотверженно служил науке, но имя его осталось
связанным с открытием, сделанным еще в молодости.
...Маленькая желтая капля замолчала. Я слушала
ее с восторгом и уже не обращала внимания на
черные частицы, проникшие в меня. Теперь они казались
мне даже симпатичными.
— Ты очень счастливая капля, — тихо
промолвила толстая капля. — Ты не только много знаешь,
-но даже видела великого ученого.
— А Я ДАЖЕ НЕ ЗНАЮ,
ЧТО ТАКОЕ КОНЦЕНТРАЦИЯ
— ПРОШЕПТАЛА Я ЧУТЬ СЛЫШНО, НО
ЖЕЛТАЯ КАПЕЛЬКА УСЛЫШАЛА МЕНЯ И
СНОВА ЗАГОВОРИЛА:
— Концентрация, милая сестричка, — это мера.
С ее помощью люди измеряют, сколько растворенного
22
ПРОЦЕНТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ
ПРОЦЕНТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ВЫРАЖАЕТСЯ ЧИСЛОМ1
ГРАММОВ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА, СОДЕРЖАЩИМСЯ!
В 100 ГРАММАХ РАСТВОРА
95ГН20 + 5Г NqCI = 100r 5%-НОГО РАСТВОРА NaCI
вещества содержится в определенном количестве
раствора или растворителя. Люди используют для
выражения концентрации много различных единиц.
— Разрешите мне, прежде всего, привести один
пример, — вмешалась в разговор синяя капля. Никто
до этого ее не слышал.
— Да, конечно, рассказывай!
— Все вы знаете, конечно, как измеряется длина.
— Да. В метрах, но что общего это имеет с
концентрацией?
— Не спешите. Длина измеряется не только в
метрах. Имеются и другие меры длины. Вот, например,
наш канал имеет глубину 2 метра, но если его
измерит какой-нибудь англичанин, то он скажет, что
глубина его 6,56 фута, а турок, который использует еще
старые меры длины, скажет, что глубина канала
2,8 аршина и т. д.
— Понимаю, — сказала я, усмехаясь. — Вы хотите
объяснить, почему и концентрация измеряется в
различных единицах.
— Разумеется. Вот, например, с помощью
процентной концентрации люди определяют, сколько
граммов вещества растворено в 100 граммах раствора.
При молярной концентрации количество
растворенного вещества выражается числом растворенных в
1 литре раствора молей вещества, а 1 моль данного
вещества численно равен его молекулярному весу,
выраженному в граммах.
— У нас у всех были нормальные концентрации,
так как в лаборатории измеряли количество
растворенного вещества в грамм-эквивалентах на 1 литр
раствора.
— А у меня была полунормальная концентрация
едкого натра, — сказала одна бесцветная капелька. —
Чтобы приготовить раствор, лаборантка положила
половину грамм-эквивалента едкого натра, а это
составляло 20 граммов, и долила воды до 1 литра.
— Вы все время употребляете новые слова и
запутываете меня. Что такое грамм-эквивалент?
— Один грамм-эквивалент равен стольким
граммам данного вещества, сколько имеет его эквивалент.
Чтобы ты не задавала второго вопроса, объясню тебе,
что такое эквивалент. Это такая часть атомного или
24
МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ВЫРАЖАЕТСЯ
ЧИСЛОМ МОЛЕЙ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА,
СОДЕРЖАЩИМСЯ В 1 ЛИТРЕ РАСТВОРА
чИ-И^ ^щ$*£
НОРМАЛЬНАЯ
КОНЦЕНТРАЦИЯ
ВЫРАЖАЕТСЯ
ЧИСЛОМ
ГРАММ-
ЭКВИВАЛЕНТОВ
ВЕЩЕСТВА,
СОДЕРЖАЩИМСЯ
В 1 ЛИТРЕ
РАСТВОРА
58 Г NaCI
49 Г H2S04
В 1 ЛИТРЕ
НОРМАЛЬНОГО
РАСТВОРА
молекулярного веса вещества, которая соответствует
единице валентности.
Эквивалентность кислорода — 8, потому что этот
элемент двухвалентен и имеет атомный вес 16. Таким
образом, на единицу валентности падает 8 весовых
частей кислорода. Это означает, что 8 весовых частей
кислорода соединяются с 1 весовой частью водорода.
— Потому что эквивалентный вес водорода равен
единице, не правда ли? Атомный вес водорода равен
единице и валентность его тоже единица.
— Для сложных веществ грамм-эквивалент
рассчитывается иначе. Здесь нужно молекулярный вес
разделить на число атомов водорода в кислоте или
групп ОН в щелочи и т. д. Так, например,
молекулярный вес едкого натра 40. Он является щелочью,
содержащей одну группу ОН, и, следовательно, его
химический эквивалент будет тоже 40.
— Не понимаю, зачем людям нужно использовать
столько разных мер концентрации. Ведь это их будет
путать, — сказала я важно, потому что думала, что
это очень остроумно.
— Ты все спешишь, — рассердилась толстая
капля.— Каждый способ выражения концентрации
растворов имеет свои преимущества. Это облегчает
химикам их работу.
— Не убеждена в этом.
— Концентрацию растворов в больших
резервуарах на производстве рабочие выражают в процентах.
Так они могут очень легко рассчитать, сколько тонн
вещества содержится в растворе, сколько тонн
раствора нужно отправить в другой цех и т. д. При
проведении анализов лаборанты пользуются нормальной
концентрацией, потому что растворенные вещества
взаимодействуют между собой полностью, только
когда смешиваются равные объемы растворов с
одинаковой нормальной концентрацией. Когда растворы
имеют одинаковую молярную концентрацию, у них в
равных объемах содержится одинаковое число
молекул. Поэтому молярная и нормальная концентрации
находят широкое применение при расчетах.
Разговор наш мог бы продолжаться еще долго, но
нас перебила еще одна капелька.
27
— Извините, сестрицы, что пришла к вам незван-
ная, — сказала она, — но не могу удержаться. Слышу,
что идет разговор на такие темы, которые привлекают
и меня. Я люблю науку. Когда-то я жила в
лаборатории большого ученого. Я пряталась на дне маленькой
бутылочки. Годы простояла я, никем не замеченная,
но это меня не огорчало, потому что в лаборатории
работал Дмитрий Иванович Менделеев. И Я МОГУ
ВАМ РАССКАЗАТЬ, КАК БЫЛА СОЗДАНА
МЕНДЕЛЕЕВСКАЯ ТЕОРИЯ РАСТВОРОВ
В 1863 г. 29-летний Менделеев был доцентом
Петербургского университета. Он читал лекции по
органической химии и одновременно вел большую
исследовательскую работу. Множество разнообразных
вопросов привлекало внимание молодого ученого, но
растворы занимали центральное место. Менделеев
начал изучать очень сложный вопрос — об отношении
этилового спирта к воде. Это была тема его
докторской диссертации.
Менделеев хорошо понимал, что дело двинется
вперед, если удастся отыскать какую-нибудь
количественную меру отношений между растворителем и
растворенным веществом в этом растворе. Такую меру
Менделеев нашел — это был объем, вернее, разница
между суммой объемов V\ + V2 исходных веществ в
чистом виде (т. е. спирта и воды) и объема У3>
образующегося в результате их смешения. В данном
случае Уъ < (V\ + V2), т. е. при смешении и образовании
раствора наблюдалось сжатие.
Итак, Д. И. Менделееву нужно было найти способ,
который позволил бы как можно точнее измерить
уменьшение объема раствора.
Через несколько недель Менделеев принес в
лабораторию сконструированный им стеклянный прибор —
сосуды странной формы. Это были маленькие
колбочки с длинными и тонкими горлышками с делениями.
В них легко измеряется увеличение объема жидкости
при разных температурах. Такие приборы называются
дилатометрами. Менделеев использовал их для изме-
28
рения заинтересовавшего его явления — уменьшения
объема раствора по сравнению с объемами исходных
веществ. С помощью дилатометра Менделеев смог
точно определить сокращение объема спиртоводного
раствора. Он смешивал спирт с водой в разных
соотношениях и измерял объемы. Дневник заполнялся
цифрами, но один вопрос не давал ему покоя:
— Почему? Почему уменьшается объем? Ведь
спирт и вода образуют самую простую механическую
смесь. Если ее прокипятить, то можно снова
разделить, получить почти чистый спирт и воду. Может
быть, здесь происходит химическая реакция? Может
быть, молекулы спирта соединяются с молекулами
воды и образуют какое-нибудь новое вещество,
скажем, гидрат спирта? Тогда какой он? Можно ли с
помощью известных химических методов определить его
состав?
Менделеев сосредоточенно рассматривал
исписанные цифрами листы. В лаборатории царила тишина,
потому что все давно ушли и вечерние сумерки
заглядывали в окна. Внезапно открылась дверь и вошел
друг Менделеева — композитор и химик Александр
Порфирьевич Бородин.
— Что же ты не показываешься? —
поздоровавшись, сказал он. — Забыл старых друзей?
— Прости, пожалуйста. Много работаю. Но тебе
очень рад.
— Что интересного? Рассказывай.
Бородин придвинул стул и сел. Менделеев
положил на стол свои листы и заговорил:
— Мне кажется, что у меня родилась новая идея.
До сих пор мы рассматривали процесс растворения
как чисто механический. Согласно этому
представлению, частицы вещества отделяются одна от другой и
равномерно распределяются между молекулами
растворителя; этот процесс является механическим
раздроблением и должен сопровождаться поглощением
энергии. Однако при растворении многих веществ
наблюдается обратное явление. Вместо охлаждения
раствор нагревается, т. е. растворение сопровождается
выделением тепла, а это уже экзотермический
процесс, при котором энергия освобождается. И вот
первый мой вывод: растворение не является простым
29
гидратация:
молекулы воды окружают частицы растворенного
вещества, образуя гидраты
механическим раздроблением вещества. Это сложный
физико-химический процесс, при котором происходит
взаимодействие между частицами растворяемого
вещества и растворителя.
— Проще говоря, частицы растворяемого вещества
и молекулы растворителя соединяются, — вставил
Бородин.
— Да. Это именно так. Мне кажется, при
растворении веществ между частицами растворяемого
вещества и молекулами растворителя образуются
непрочные соединения, которые можно назвать сольва-
тами. Это относится к тем случаям, когда
растворитель — не вода, а какая-нибудь другая жидкость,
например эфир, спирт. В водном растворе эти соединения
следовало бы называть гидратами.
— И как ты представляешь себе все это?
— Может быть, частицы растворенного вещества
ограждают себя от молекул растворителя. Между
ними возникает взаимное притяжение, и это приводит
к образованию сольватов. По-видимому, эти
соединения очень нестойкие. Они существуют в растворе
только при определенных условиях. С изменением
концентрации и температуры они или распадаются
или превращаются в другие соединения.
— Твоя идея очень интересна, — сказал
Бородин. — Она может изменить наше представление о
процессе растворения.
— Представь себе: опускаем кусочек сахара в
воду, происходит гидратация — молекулы воды
немедленно окружают молекулы сахара и образуют с
ними соединение — гидрат. Это, естественно,
сопровождается выделением тепла. Но одновременно
происходит и нечто другое. Чтобы образовался гидрат,
молекулы воды отрывают молекулы сахара от
кристаллов, а на этот процесс необходимо затратить
энергию. Это приводит к поглощению тепла.
— Теперь легко объяснить, — сказал Бородин,—
почему тепловой эффект растворения может быть
положительным или отрицательным. Если в процессе
гидратации выделяется больше тепла, чем требуется
для отрывания частиц от кристаллической решетки,
то при растворении раствор нагревается. И наоборот,
если на разрушение кристалла твердого вещества
31
Дмитрий Иванович Менделеев
родился 27 января 1834 г. в
г. Тобольске в семье
директора гимназии. В 1855 г. окончил
Петербургский педагогический
институт. В 1859 г. уехал на
2 года для дополнительной
специализации за границу. По
возвращении был избран
профессором сначала
Петербургского технологического
института, а затем — университета,
где вел научную и
педагогическую работу более 30 лет.
В 1892 г. Менделеев был
назначен ученым хранителем
Депо образцовых мер и весов,
преобразованного затем в
Главную палату мер и весов
(теперь Всесоюзный научно-
исследовательский институт
метрологии имени Д. И.
Менделеева).
Крупнейшим результатом
творческой деятельности
Менделеева было открытие им в
1869 г. периодического закона и
создание периодической
системы элементов. Из других
работ наиболее важны
исследования по теории растворов.
Выдающимся трудом
Менделеева является его книга
«Основы химии», где впервые вся
неорганическая химия была
изложена с точки зрения
периодического закона.
Значителен также вклад Д. И.
Менделеева в развитие
промышленности.
требуется больше тепла, чем его выделяется при
гидратации, раствор охлаждается.
— Понимаешь теперь, почему я не приходил к
тебе? Эти вопросы не давали мне покоя ни днем, ни
ночью.
— Но теперь ты уже разработал свою теорию
довольно подробно. Разреши себе маленькую
передышку. Пойдем ко мне, я поиграю тебе.
— Над чем ты сейчас работаешь?
— В химии или в музыке?
— Как композитор, конечно.
— Как тебе сказать, — ответил Бородин
смущенно. — Решил начать кое-что покрупнее. Пишу свою
первую симфонию.
— Тогда пойдем! Хочу послушать твое сочинение.
32
... Но вот однажды, — вздохнула капелька, —
раствор из бутылочки, в которой я пряталась, вылили, и
мне пришлось отправиться в путь. Многое я повидала
еще, но никогда не забуду годы, проведенные в
лаборатории Дмитрия Ивановича Менделеева.
Я слушала, затаив дыхание. Капли вокруг меня
знали так много и вместе с тем считали себя
обыкновенными, а я... Теперь я убедилась, что мне еще
нужно многое узнать, заглянуть в мысли других. Не
Эта громадная менделеевская граде на стене Института мет-
таблица в ее первоначальном рологии имени Д. И. Менделе-
варианте находится в Ленин- ева.
2 Зак.520
32
выглядела ли я смешной со своим высокомерием?
Я казалась себе прежде самым совершенным
творением на свете. Да, никогда не следует думать, что
стоишь выше своих собеседников.
— Сестрицы, — заговорила я, волнуясь. — Я в
восторге от того, что произошло сегодня. Только теперь
я поняла, что среди вас многие видели
замечательные вещи. Может быть, для вас это обыкновенно, но
для меня имеет большое значение. Вы говорите о
вещах новых и непонятных для меня. Я хотела бы
узнать о них побольше.
— Мы с удовольствием расскажем тебе. Что тебя
интересует?
— Я хочу знать все то, что вы знаете лучше меня.
И у меня есть предложение.
Капли заволновались, но тут же притихли и стали
слушать.
— Не хотите ли вы основать клуб
любознательных?
— Какая от него польза? — раздался издалека
чей-то голос.
— Польза будет огромная! Каждая из нас
расскажет самое интересное из своих воспоминаний. Так
мы обогатимся знаниями и станем действительно
необыкновенными каплями.
Наступило короткое молчание, а затем раздались
крики:
— Принято!
— Браво!
— Да здравствует клуб любознательных!
И Я УСЛЫШАЛА РАССКАЗ ТОЛСТОЙ КАПЛИ
О НАСЫЩЕННЫХ РАСТВОРАХ
И УДИВИТЕЛЬНОМ МИРЕ КРИСТАЛЛОВ
— Какой это завод?
— Химический. Здесь получают различные
кислоты, соли, вообще «химикалии»... К большому
сожалению, я не была в цехах завода, но пока я находилась
в лаборатории, я узнала достаточно подробностей.
В цехах смешивают различные вещества в больших
резервуарах. В результате химических реакций об-
34
разуются новые соединения. Обыкновенно вещества
получают в растворе. Чтобы выделить полученное
новое вещество, раствор помещают в большие
аппараты, называемые испарителями. В них раствор
нагревают до такой высокой температуры, при которой он
не может существовать. По мере испарения
жидкостей объем раствора уменьшается, и он превращается
в насыщенный.
— Что такое насыщенный раствор?
— В нем растворено так много твердого вещества,
что если добавить еще немножко, то оно не сможет
раствориться и осядет на дно сосуда.
— Спасибо. А что будет дальше?
— После этого насыщенный раствор помещают в
сосуд, который называется кристаллизатором. Здесь
раствор охлаждается и превращается в
пересыщенный, т. е. в раствор, содержащий больше
растворенного вещества, чем может быть в насыщенном
растворе.
— Как это понять?
— Все дело в свойствах самих веществ: при
нагревании они растворяются лучше, чем при
охлаждении. Это свойство было изучено очень давно
французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком. Он даже
изобразил эту зависимость на графике. Получилась
кривая, которую называют «кривой растворимости».
Чем выше температура, тем быстрее поднимается
вверх кривая линия. Это означает, что тем большее
количество вещества нужно для получения
насыщенного раствора. Позднее установили, что у некоторых
веществ при изменении температуры растворимость
почти не меняется. Их кривая растворимости
представляет собой почти горизонтальную линию. Сейчас
известны и такие вещества, растворимость которых
при повышении температуры уменьшается...
Но мы отвлеклись. Я говорила о пересыщенном
растворе. Да. Самое характерное его свойство — это
чрезвычайная неустойчивость. В нем быстро
образуются мелкие кристаллики, кристаллические
зародыши, вокруг которых начинается кристаллизация. Это
очень интересный процесс. Мелкие, почти невидимые
кристаллики начинают постепенно расти и
образуют кристаллы побольше. Это продолжается, пока
9*
35
160
140]
~~uo]
100
80
60
40
20
i
РАСТВОРИМОСТЬ,
ГРАММЫ |
НА 100 Г ВОДЫ
|
! !
l
i i
t
t
1 i /
i \ •'
1 /
1 ]' /
I *
1 •
J •
1 * J
Is**
0
/ / i
' /o ;
Г'
20
\
|40
1
t
i
i
t
в
t
t
*
/
,'
/
' к^ео3
Na2S04
60
i
..__
i ТЕМ
J80
[
/
/
NaCl
ПЕРАТУРЛ
[too
1
i. С
1
i
раствор не превратится из пересыщенного в
насыщенный. Только пересыщенный раствор может
кристаллизоваться. Кристаллизацию используют не только
для получения различных веществ, как, например,
сахара, который извлекают из раствора, но и для
очистки веществ.
— Это очень интересно, но не можете ли
объяснить полнее, — прервала я рассказ толстой капли. —
Я не понимаю, почему многократная кристаллизация
очищает вещества.
— Очень просто, — продолжала моя
собеседница. — Когда твердое вещество помещают в
растворитель, оно начинает растворяться. Постепенно раствор
насыщается. Это, конечно, происходит при высокой
температуре. Раствор содержит различные
растворенные вещества — твердое вещество и его
примеси. Но поскольку примесей мало, для них раствор
остается ненасыщенным. Когда раствор помещают в
кристаллизатор и охлаждают его, он превращается
в насыщенный только по отношению к твердому
веществу, которое и начинает выделяться в виде чистых
кристаллов. Примеси же остаются в растворе. Для
них раствор остается ненасыщенным даже при
пониженной температуре. Обычно кристаллы отделяют от
маточного раствора (так называют раствор,
оставшийся после кристаллизации), используя
специальные аппараты — центрифуги. В лаборатории я видела
самые разные кристаллы. Любоваться ими — одно
удовольствие! Одни из них синие, другие зеленые,
фиолетовые, оранжевые... А форма кристаллов! Это
самая совершенная вещь на свете! Встречаются кубы,
призмы, пирамиды, тетраэдры, октаэдры и много
других фигур. Некоторые из кристаллов обладают
особыми свойствами. Вот, например, я помню такой случай.
Однажды лаборантка принесла несколько
великолепных синих кристалликов.
— Мне нужен безводный сульфат меди, — сказала
она своей сотруднице. — Я хочу на нем проверить,
есть ли вода в спирте.
Она положила кристаллики в маленькое
фарфоровое блюдечко и начала нагревать. Скоро они так
нагрелись, что начали лопаться и белеть. Немного
ногодя все они превратились в белый порошок. Мне
37
было жаль красивых синих кристаллов. Лаборантка
подождала, пока все остынет, а потом положила часть
образовавшегося белого порошка в чашку со
спиртом. Белый порошок начал постепенно синеть. Я была
восхищена и очень заинтересована. Что случилось?
Почему, соприкасаясь с жидкостью, кристаллики
снова восстановили свой синий цвет?
Вскоре я узнала, что в кристаллах сульфата меди
(синие кристаллики) есть вода. Эта вода называется
кристаллизационной, а все кристаллы, которые
содержат воду, называются кристаллогидратами.
Существование кристаллогидратов подтверждает гидратную
теорию Менделеева. Эти вещества образуют в водном
растворе такие прочные гидраты, что они продолжают
существовать и в кристаллах. Но при нагревании
кристаллизационная вода испаряется, кристаллогидраты
разрушаются. Это произошло и с кристалликами
сульфата меди. Белый порошок, который представлял
собой безводный сульфат меди, снова посинел, как
только пришел в контакт с водой, содержащейся в
спирте, потому что с молекулами воды он снова
образовал синий гидрат.
Увлеченная рассказом собеседницы, я не заметила
наступившего общего оживления. В разговор
вступила новая капля.
— Дорогие друзья клуба любознательных, —
сказала она, — я хочу рассказать вам об одном из моих
самых ярких впечатлений. Я наблюдала, как было*
сделано открытие. ОКАЗЫВАЕТСЯ,
ГАЗЫ ТОЖЕ МОГУТ РАСТВОРЯТЬСЯ
Это было давно. Я попала в лабораторию доктора
Томаса Генри в Манчестере. Господин Генри был
очень известный врач и исследователь. Все граждане
города уважали его Но я хочу сейчас рассказать вам
не о нем, а о его сыне Вильяме Генри.
Вильям был очень маленького роста. В 12 лет он
поскользнулся и упал с большой высоты. Несчастный
мальчик долгое время был без сознания. Отец и
доктор Персвиль выходили его, но страдания не
отпускали Вильяма в течение всей жизни. В 20 лет он выгля-
38
дел двенадцатилетним мальчиком, так как со дня
своего падения он больше не вырос ни на один
сантиметр. «Почему жизнь так жестока ко мне? Почему я
не такой, как другие? Какие счастливые мои
сверстники! Они красивы, стройны, а я?.. Но ничего. Нельзя
сдаваться!»
Да, вопреки всему Вильям был оптимистом. Он
мечтал о больших делах, хотел стать знаменитым
врачом. У него было огромное стремление к знаниям.
До 16 лет он учился в Академии в Манчестере, а
потом перешел в лабораторию доктора Персвиля. Вот
уже четвертый год они работали вместе. Вильям
учился с исключительным усердием. Он очень много читал,
но находил время бывать и в лаборатории своего
отца, чтобы помогать ему при проведении сложных
опытов.
Вильям иногда лучше отца делал сложные
операции на подопытных животных.
— Ты превзошел меня, Вильям, — говорил ему
довольный отец. — Я счастлив, что мое дело будет
продолжено руками сына.
— Нет, отец, того, что я знаю и могу,
недостаточно. Я хочу учиться дальше. Я должен стать таким
доктором, который никогда не скажет: «Не могу».
Я хочу совершенствовать свои знания в медицине,
чтобы иметь возможность давать другим счастье.
— Тогда поезжай в Эдинбург. Там находится один
из старейших медицинских центров Англии. В
Эдинбургском университете ты сможешь расширить свои
знания.
Вскоре после этого разговора Вильям уехал. Это
было зимой 1795 г. В Эдинбурге он пробыл только
один год. В письмах Вильям все чаще стал упоминать
о химии. Лекции химика Джозефа Блэка произвели
на него огромное впечатление. Вильям начал
работать в лаборатории доктора Блэка и скоро увлекся
Вильям Генри (1775—1836) —
английский химик. Проводил
исследования в области
растворимости газов в воде при
различной температуре и
давлении и вывел закон
растворимости газов, известный как
закон Генри. Многие работы
Генри посвящены анализу
рудничного и светильного газа,
хлористого водорода, аммиака
и др.
39
интересными исследованиями. В лаборатории
получали разные газы и изучали их свойства. В те
времена о газах знали очень мало. Большие успехи
Джозефа Пристли в этой области химии — открытие
кислорода и углекислого газа — еще больше увеличили
интерес ученых к газам.
Генри продолжал свои исследования газов и после
возвращения в Манчестер. Особенно его интересовали
газы, которые образуются в угольных шахтах. Иногда
этих газов скапливалось в шахте так много, что они
достигали критической концентрации, при которой
смесь становилась взрывоопасной. Тогда достаточно-
было самой незначительной искры, чтобы они
воспламенились. Страшные взрывы разрушали подземные
галереи. Сколько жертв, сколько тяжелых страданий
приносил этот опасный рудничный газ! Генри решил
изучить его подробно. Теперь в лаборатории его отца
появилось много новых приборов: стеклянные
цилиндры, ванночки, трубочки, колбы... Прежде всего он
сделал подробный анализ рудничного газа. Потом Генри
исследовал и продукты сгорания этого газа. Опыты
показали, что рудничный газ состоит из водорода и
углерода. Результаты анализов Генри описал в
первой своей научной статье, озаглавленной «О
насыщении водорода углеродом». Он послал ее в
Королевское общество в Лондоне, и в 1797 г. она была
напечатана.
Одновременно Вильям Генри исследовал и другие
газы: светильный, аммиак, хлористый водород. Чтобы
получить нужный газ в чистом виде, он пропускал его
через различные жидкости, налитые в промывные
склянки, и собирал в цилиндры. Иногда Вильям не
успевал израсходовать весь газ из цилиндров и
оставлял его на другой день. А чтобы газы не улетучились
через щели крышек, он переворачивал цилиндры
отверстием вниз и опускал их в ванночку, наполненную
водой. Тогда вода плотно «запирала» цилиндры и
газы были в полной сохранности. Считалось, что
кислород, водород, рудничный газ не растворяются в воде
и могут быть сохранены таким способом. Однако
Генри заметил, что в цилиндрах, опущенных в воду, через
несколько дней уменьшилось количество газа — вода,
в них поднялась и заняла место газа.
40
— Куда делся этот газ? Может быть, он
абсорбировался водой?
Генри, как и его современники, замеченное им
растворение газов называл абсорбцией. Он начал
детальное исследование этого явления. Измерял давление
газа, его температуру, объем. Вычислял количество
растворенного в жидкости газа. Его тетрадка
постепенно заполнялась старательно проверенными
данными.
Опцты Вильяма Генри дали очень интересные
результаты. Действительно, все газы растворялись в
воде, но мало — по сравнению с растворением
твердых веществ. Растворимость газов быстро
уменьшалась при повышении температуры, тогда как у
твердых тел она обыкновенно увеличивается. Так, если
воду нагреть до температуры, близкой к кипению
(около 100 °С), то она вообще не сможет растворять
никакие газы.
Когда Генри работал над измерением
растворимости газов при нормальной температуре, он заметил,
что давление газа сильно отражается на
растворимости. Если повышалось давление газа на жидкость,
увеличивалось и количество растворенного газа.
Чтобы исследовать влияние температуры, Генри проводил
различные опыты при одном и том же давлении газа.
Проходили дни, месяцы, и каждый новый день
давал все новые и новые колонки цифр в тетрадке.
Цифры, цифры, цифры! За ними Генри увидел новый
закон: количество растворенного газа при постоянной
температуре пропорционально его давлению на
раствор.
Это был большой успех. Но радость давали не
только цифры в тетрадке. Мария, дочь Томаса Блэка,
была не только знакомой, не только другом. Она
любила его. Часто ее звонкий голос разносился по его
лаборатории. Что нравилось ей в горбатом и
некрасивом Вильяме? Может быть, его бесконечная
доброта? Может быть, его тихий и кроткий характер?
Может быть, его ум и спокойная речь?
Вильям Генри с увлечением работал еще долгие
годы. О своих открытиях он докладывал в
Манчестерском литературно-философском обществе или в
•Лондонском королевском обществе. Но самым
4]
КОЛИЧЕСТВО
РАСТВОРЕННОГО
ГАЗА ПРЯМО
ПРОПОРЦИОНАЛЬНО
ЕГО ДАВЛЕНИЮ
НАД РАСТВОРОМ
© ©
©
©
ГАЗ
©
©
значительным осталось одно из первых его
исследований— абсорбция газов водой и открытие закона
растворения газов — закона Генри.
... Наступило молчание. Все были погружены в
раздумья. Наконец, одна капля глубоко вздохнула и
заговорила:
- Я РАССКАЖУ ВАМ О ТОМ, КАК ФРАНСУА
РАУЛЬ ОТКРЫЛ
ПУТЬ К НОВОЙ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ
— Много, много лет назад судьба забросила меня
во Францию. Там, на юге, в предгорьях Альп
расположен утопающий в зелени город Гренобль. Здесь я
впервые увидела Франсуа Мари Рауля.
Несколько лет он учился в университете Гренобля
одновременно на физическом и химическом
факультетах, а когда я его встретила, он уже работал над
диссертацией по физике. Франсуа приходил в
лабораторию на заре и уходил с наступлением ночи. Его
опыты требовали сложных и точных измерений.
Иногда случалось, что труд его шел насмарку. Кто-то из
его помощников плохо закрывал кран или неплотно
присоединенная трубка пропускала газ, и опыт
проваливался. Нужно было все начинать сначала.
Франсуа не отчаивался, неудачи не обескураживали его.
И, конечно, упорный труд увенчался успехом. В 1862 г.
он защитил диссертацию и стал доктором физики,
а потом профессором в университете Гренобля.
Рауль продолжал интересоваться газами, и его
исследования становились все шире и разнообразнее.
Пары жидкости представляют собой газ, поэтому он
стал изучать также пары многих жидкостей, и в
первую очередь, пары воды. Если какую-нибудь летучую
жидкость поместить в закрытый сосуд, то она,
испаряясь, образует над собой атмосферу, состоящую из
ее паров. Давление паров над жидкостью заметно
изменяется при колебаниях температуры. При
повышении температуры увеличивается и давление пара.
Когда жидкость начинает кипеть, давление ее паров
становится равным атмосферному. Существует ли тут
какая-нибудь закономерность?
43
Рауль взял бутылку, в которой держал
дистиллированную воду, и отлил часть воды в дистилляцион-
ный аппарат. Ему нужно было еще раз определить
температуру кипения воды. Он зажег горелку и стал
внимательно наблюдать. Столбик ртути в термометре
медленно полз вверх. Вот он приблизился к 100
градусам. На этом ртуть должна остановиться, так как
вода закипит, появятся первые пузырьки. Но
ожидания его не оправдались. Столбик ртути поднимался
все выше: 101, 102... Наконец, ртуть остановилась на
102 градусах. Жидкость закипела.
— Вот чертовщина! Марсель, идите сюда! —
закричал профессор Рауль. — Опять Вы сделали что-то
не то. Что было в этой бутылке?
— Дистиллированная вода, — сконфуженно
ответил ему Марсель.
— Не может быгь! Вспомните хорошенько! Вода
кипит при 100 градусах, а эта жидкость закипела при
102 градусах.
Помощник, опустив глаза, задумался. Вдруг лицо-
его вспыхнуло.
— Нет, это не вода. Вчера вечером я приготовил
водный раствор сахара. Я поставил его по ошибке
здесь... Извините меня. Сейчас я все исправлю.
Марсель взял бутылку и пошел к большому
шкафу. Профессор Рауль смотрел ему вслед, не видя его.
Перед его глазами стоял столбик ртути— 102 градуса.
— Почему раствор закипел при 102 градусах?
Рауль вздрогнул и почти закричал Марселю.
— Стойте! Несите раствор обратно. Давайте сюда
и дистиллированную воду. Несите соли, глицерин и
другие растворимые в воде вещества. Сейчас
проверим, случайность это или какое-то неизвестное
явление. Повторим опыт.
Марсель старался быть точным. На этот раз ему
нужно было определить температуру кипения
глицеринового раствора, разведенного наполовину водой.
Профессор Рауль нервно барабанил пальцами по
столу.
— Теперь температура ниже. Кипение началось
при 101 градусе, — сказал Марсель, выпрямляясь.
— Проверим!
Рауль наклонился к термометру.
44
Франсуа Мари Рауль (1839 —
1901) —французский физико-
химик, профессор
университета в Гренобле. Наиболее
важные его исследования
относятся к области физической
химии, электрохимии,
термохимии и аналитической химии.
Его имя связано главным
образом с созданием основ
криоскопии. Сам термин
«криоскопия» был введен Раулем в
1885 г. в связи с открытием им
закона, согласно которому»
при растворении одного моля
какого-нибудь вещества в 10*30
граммах растворителя
наблюдается одно и то же
понижение температуры замерзания
по сравнению с чистым
растворителем. Все исследования
были обобщены Раулем в
монографии «Криоскопия» (1900 г.).
В 1888 г.Эрнст Бекман (1853—
—1923) применил криоскопию
— А теперь нужно провести опыты с растворами
других веществ. Приготовьте мне растворы.
Увлеченные работой исследователи забыли, что
день кончается. Они не заметили наступления ночи»
Какая-то лихорадка охватила их.
— Да. Все растворы кипят при температуре выше
температуры кипения чистого растворителя. Это
означает, что давление паров растворителя над раствором
ниже, чем давление паров над чистым растворителем.
Если раствор разбавленный, т. е. если его
концентрация ниже, то ниже и его температура кипения. Ясно,
что между этими величинами существует зависимость.
Нужно исследовать ее, установить закономерность!
В эту ночь Рауль не мог заснуть, мысленно
сравнивая результаты наблюдений, полученные за день.
Дни его были заполнены лихорадочной работой.
Исследования становились все разнообразнее и
сложнее. Открытия следовали одно за другим. Рауль
установил: «Понижение давления паров растворителя над
раствором зависит от концентрации раствора. Чем
для определения
молекулярного веса. Этим методом и
сейчас широко пользуются для
точного определения
молекулярного веса многих веществ.
45
РАСТВОРЫ
РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
В ВОДЕ ЗАМЕРЗАЮТ
ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
НИЖЕ ОХ
РАСТВОР NaCI
выше концентрация раствора, тем сильнее
понижается давление паров».
Это, конечно, отражалось на температуре кипения
раствора. Повышение температуры кипения раствора
также прямо пропорционально его концентрации.
В это же время Эрнст Отто Бекман открыл
аналогичную закономерность, наблюдавшуюся при
замерзании растворов. Все растворы замерзают при
температуре ниже температуры замерзания чистого
растворителя. Понижение температуры замерзания
раствора прямо пропорционально его
концентрации.
Рауль немедленно повторил опыты Бекмана и
убедился в правильности его выводов. Оказалось даже,
что измерять температуру замерзания намного легче,
поэтому при дальнейших исследованиях Рауль начал
все чаще использовать открытие Бекмана.
Рауль любил разговаривать со своим помощником.
Они обыкновенно обсуждали наблюдаемые явления.
Часто во время этих разговоров зарождались новые
идеи.
— Марсель, скажите мне, как вы представляете
себе давление пара?
Помощник отвечал, почти не задумываясь.
— Если в сосуд налить воду, она начнет
испаряться и пространство над ней заполнится паром. Так
как молекулы пара находятся в непрерывном
движении, некоторые из них сталкиваются с поверхностью
воды и снова превращаются в жидкость, т. е.
конденсируются. Когда число молекул, испаряющихся за
единицу времени, станет равным числу молекул,
конденсирующихся за это же время, наступает
равновесие. Пары над жидкостью создают точно
определенное давление. Мы называем его давлением
насыщенных паров.
— Да, это так. Мы установили, что при данной
температуре давление насыщенных паров
растворителя над раствором ниже, чем над чистым
растворителем. А можешь ты объяснить это?
Марсель подумал немного, а потом поднял голову.
Он знал, что профессор сам даст ответ.
— Не могу. Это так необычно. Может быть, вы
уже нашли объяснение?
47
ОДНОМОЛЯЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ
ЗАМЕРЗАЮТ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
-1,86°С
-1,86°С—Ц
9 МОЛЬ
ГЛИЦЕРИНА
S 1000 ГРАММАХ
— Я буду искать его в силах притяжения между
молекулами растворенного вещества и молекулами
растворителя. В сущности, важнее другое открытие:
одинаково повышается температура кипения и
одинаково понижается температура замерзания растворов
различных веществ, но при одном и том же
растворителе и при одинаковой концентрации растворенного
вещества.
— Вы имеете в виду так называемую моляльную
концентрацию, которая выражается числом молей
вещества, растворенного в 1000 граммах растворителя?
— Да. Ведь это замечательно, — продолжал
Рауль. — Согласно теории Авогадро, один моль
любого вещества содержит одно и то же число молекул.
Мы приготовляем моляльные растворы, которые
содержат один моль различных веществ в 1000 граммах
воды. Полученные растворы замерзают всегда при
температуре —1,86 °С. Это говорит о том, что
понижение температуры замерзания зависит только от числа
молекул, а не от их природы. Итак, понижение
температуры замерзания раствора по сравнению с водой
равно 1,86 °С, и это — величина постоянная. Назовем
ее криоскопической константой, потому что она
относится к превращению воды в лед, а «лед», «холод»
по-гречески «криос».
— Такие же рассуждения справедливы и для
повышения температуры кипения растворов по
сравнению с чистым растворителем, — заметил Марсель.
— Конечно, — продолжал Рауль. — Повышение
температуры кипения будем называть эбулиоскопиче-
ской константой, потому что по-латыни «эбулио»
означает «кипение».
Рауль задумался, по вдруг поднялся в
возбуждении. В его сознании неожиданно блеснула новая
мысль. Ну, конечно! Как он не догадался до сих пор?
Если понижение температуры замерзания моляльного
раствора для данного растворителя является
постоянным, то это можно использовать для определения
молекулярного веса вещества! Когда известен вес
вещества, растворенного в тысяче граммов растворителя,
и измерена температура замерзания, легко вычислить
молекулярный вес вещества.
— Марсель, начинаем сначала! Может быть, это
49
будет самой главной моей победой в науке.
Попытаемся определить молекулярные веса...
Снова работа. Снова приготовление растворов,
измерения, вычисления... И надежды оправдались.
Новый метод, который Рауль назвал криоскопией,
открывал широкие возможности. Он позволил
определить молекулярный вес сотен веществ. До сих пор это
было возможно только для газообразных и
легколетучих веществ. После того как Рауль убедился в
надежности своего метода, он решил использовать его на
практике.
— Попытаемся определить молекулярный вес
сахара. Анализы показывают, что на один атом
углерода приходится два атома водорода и один атом
кислорода. Но сколько атомов углерода в молекуле?
— Если мы узнаем молекулярный вес, то легко
ответим на этот вопрос и определим формулу сахара.
— Попробуем его узнать. Я приготовлю раствор,
а вы позаботьтесь об охладительной смеси!
Марсель вышел во двор и направился к
маленькому, покрытому толстым слоем соломы, шалашу.
Здесь хранился лед, запасенный еще с зимы, — они
заполняли льдом большую яму и закрывали ее
соломой. Но когда он кончался, им привозили лед с
высокогорных ледников. Марсель наполнил ведро льдом
и быстро вернулся. Раствор был уже готов. Они
начали опыты. Рауль по несколько раз повторял
определения, потом долго вычислял. Они приготовили
новые растворы с большим и меньшим количеством
сахара. Результаты всех опытов показывали одно и
то же число — молекулярный вес сахара равен 342.
Сомнений быть не могло.
Рауль был неутомим. Какой мощный метод
проникновения в тайны вещества был теперь в его
распоряжении, насколько точнее станут теперь знания
ученых! Он сообщил о своем открытии коллегам в
Гренобле. Через несколько месяцев об этом открытии
было доложено Академии наук в Париже и
напечатано в ее трудах за 1889 г. В этом же году Рауль
опубликовал и другую свою научную работу — «О
развитии криоскопии». Здесь он дал подробное описание
своего метода и сделал ряд дополнительных
усовершенствований.
50
Исследования Рауля заинтересовали ученых всего
мира. Уже на следующий год его избрали членом
французской Академии наук. В следующее
десятилетие он получил европейское признание. В Берлине и
Лондоне, в Турине и Стокгольме считали за честь
избрать Франсуа Рауля почетным членом Академии
наук. В 1899 г. Петербургская Академия наук также
избрала его своим членом.
— А теперь послушайте мой рассказ, — сказала
совсем маленькая капелька. — То, что вы услышите,
будет рассказом об одном ботанике, который сделал
важное открытие в химии.
БОТАНИК, ОТКРЫВШИЙ ОСМОС
Вильгельм Пфеффер решил посвятить себя
изучению физиологии растений. Какие процессы
происходят в растениях? Какие законы ими управляют?
Некоторое время Пфеффер работал в Геттинген-
ском университете. Он опубликовал уже несколько
научных трудов и в 1873 г. был назначен профессором
в Боннский университет. Здесь, в лаборатории
физиологии растений, он сделал открытие, которое
поставило его имя рядом с именами самых известных
химиков.
С некоторого времени мысли его были заняты
одним вопросом.
— Почему завявшее растение оживает и
восстанавливается его нормальное состояние, если его
полить водой?
Факт был известен, но объяснения не было.
Да. Растение впитывает воду в свои клетки. Но
почему? Какие силы заставляют воду поступать в
клетки? Профессор Пфеффер поделился своими
мыслями с помощником Генрихом. Они решили вдвоем
поработать над этой загадкой и провести различные
опыты.
— Прежде всего, — сказал Пфеффер, — нужно
выяснить, происходят ли изменения в химическом
составе растения.
— Нужно сделать анализы, вероятно? — спросил
Генрих.
51
— Да. Сначала оставим веточки одного и того же
растения, пока они не увянут. Потом часть из них
поставим в воду, а у остальных проанализируем состав.
После того как завявшие веточки оживут, сделаем
тот же анализ. Разумеется, мы сделаем и анализ воды,
в которой стояли веточки.
Генрих немедленно начал работу. Анализы были
трудными и продолжались долго, но он проводил их
с удовольствием. Через несколько дней он пришел к
профессору. В руках у него был лист с результатами
анализов.
— Это все, профессор Пфеффер. Минеральный
состав завившего и ожившего растений совершенно
одинаков. Ожившее растение содержит больше воды.
Анализ воды показал, что она не обогатилась новыми
солями, пока в ней стояли растения.
— Так... — Пфеффер задумался. — Это значит, что
вещества, содержащиеся в клетках, остались в них,
а вода проникла через оболочку клетки внутрь,
отчего клетка набухла.
— Но ведь оболочка клетки служит для того,
чтобы охранять содержимое клетки. Неужели вода
смогла пройти через нее? — заметил удивленный Генрих.
— Конечно. Ясно, что клеточная оболочка
обладает особым свойством, она пропускает воду внутрь
клетки, а вещества, находившиеся в клетке, оставляет
«запертыми» в ней — они не могут выйти наружу. Это
означает, что оболочка клеток представляет собой
какую-то особую полупроницаемую перегородку.
— Мржет быть, это свойство ей придает «живая
сила» клетки? — рассуждал Генрих.
— Это мы можем проверить. Сходите к медикам
и попросите у них несколько пленок животного
происхождения. Мы попытаемся найти причины.
Генрих недоумевал. Что они будут делать с этими
пленками? Вскоре он вернулся в лабораторию с блю-
Вильгельм Пфеффер (1845—
1920) — немецкий ученый,
исследовал явления осмоса в
растениях. Сконструированный
им осмометр помог ему изучить
зависимость осмотического
давления от температуры и
концентрация раствора. Эти
исследования легли в основу
теории электролитической
диссоциации Сванте Аррениуса,
которая была создана в 1887 г.
52
дом в руках, Там находились погруженные в воду
пленки.
— Теперь возьмите стеклянные трубочки и
привяжите к каждой одну из зтих оболочек так, чтобы она
плотно закрывала отверстие. Оболочка, закрывающая
отверстие трубочки, будет играть роль оболочки
клетки. В трубочки мы нальем раствор, напоминающий
клеточный сок, а потом поместим их в воду.
— Теперь я все понял.
Изобретательность Пфеффера вызывала у
Генриха восхищение. Он старательно натянул оболочки на
нижние отверстия трубочек и крепко перевязал их.
Потом в каждую трубочку налил понемногу
приготовленного раствора и, отметив его уровень, погрузил
нижний конец трубочек в воду.
— А теперь нужно подождать, — сказал Пфеф-
фер. — Если, заметите что-нибудь интересное,
позовите меня! Я буду в своем кабинете. Между прочигл,
Генрих, подобные опыты были проведены несколько
лет тому назад английским исследователем Томасом
Грэмом. Он даже пишет в одной своей статье об
«осмотических силах», возникающих в растворах. Они
действуют на перегородки, надувают их. Но Грэм не
смог разъяснить многие вопросы, связанные с
осмотическим давлением. Может быть, мы с этим
справимся.
Генрих хотел продолжить свою работу с
микроскопом, но не мог сосредоточиться. Он все время
поглядывал на трубочки. Вот прошло уже полчаса, а
ничего особого не заметно. Вдруг он вздрогнул.
Прищурил глаза, чтобы лучше видеть.
— Не обман ли это? Как будто раствор в
трубочках начал подниматься вверх! Еще едва заметно, но
жидкость уже была выше той отметки, которую он
сделал. Лучше подождать еще немного, и тогда уже
звать профессора.
Но вскоре Генрих все же бросился за профессором
Пфеффером.
— Раствор начал подниматься по трубочкам!
Пфеффер вошел в лабораторию.
Он долго любовался раствором в трубочках.
— Видите, Генрих, оболочка выгнута наружу, как
будто в трубочках возникло какое-то давление. Это
53
осмотическое давление, о котором говорил Грэм. Это
давление поднимает раствор вверх и одновременно
выгибает перегородку в обратную сторону. Вероятно,
это давление действует во все стороны.
— И несмотря на давление, вода поступает в
трубочки! — удивился Генрих.
— Может быть даже, вода приводит к
возникновению давления.
Пфеффер задумался. Новое явление надо было
еще изучить... С чего начать?
— Генрих, нужно попытаться измерить давление
раствора. Может быть, лучше будет, если мы сделаем
так: оставим жидкость подниматься, пока она не
остановится.
— Как мы этого добьемся?
— Осмотическое давление поднимает раствор
вверх по трубочкам, а гидростатическое давление
действует в обратном направлении. Если раствор
перестанет подниматься, значит, две противоположно
направленные силы уравнялись. Гидростатическое
давление легко измерить, так мы узнаем и величину
осмотического давления. Но это только одна сторона
вопроса. Нужно будет установить, от чего зависит это
осмотическое давление.
Пфеффер продолжал говорить, и Генрих
записывал его указания. Предстояла очень интересная
работа.
К большому неудовольствию Генриха, опыты
протекали очень медленно. Обычно приходилось ждать
несколько дней, чтобы раствор перестал подниматься.
Иногда жидкость достигала верхнего конца трубочки
и начинала переливаться через край. Тогда
приходилось начинать опыт сначала. Но скоро Генрих
ухитрился к наполненной раствором трубочке,
присоединять с помощью резиновой трубки вторую
стеклянную трубочку и продолжать опыт без остановок.
Удивительно! В некоторых случаях раствор
поднимался на несколько метров и все не
останавливался. Тогда они решили продолжать опыты на улице.
Прикрепили трубки к наружной стене и постепенно
удлиняли их вверх, к крыше университетского здания.
Вычисления давали невероятные результаты: одна
атмосфера, две атмосферы, три ...
54
- осмометр
••;•"• ВОДА • #
Уже было совершенно ясно, что чем выше
концентрация раствора, тем выше поднимается жидкость в
трубках, тем выше осмотическое давление. Пфеффер
выразил это открытие математической формулой и
назвал его законом осмотического давления.
Очень часто опыты пропадали, потому что пленки
животного происхождения не выдерживали высокого
давления и лопались. Нужно было найти выход из
этого положения. Может быть, подобными
свойствами обладают и некоторые неорганические вещества?
Пфеффер решил попробовать. Он сам занялся
изготовлением полупроницаемых перегородок. Пфеффер
достал маленькие необожженные глиняные сосуды с
узкими длинными горлышками. Он наполнил их
водой и оставил на несколько дней. Вода начала
медленно проступать через поры. На следующий день
глиняные сосуды были уже мокрыми снаружи, а
Пфеффер держал их так целую неделю, доливая в
них столько воды, сколько просачивалось через поры
в стенках. Он хотел полностью удалить воздух,
находящийся в порах. Когда он решил, что добился этого,
Пфеффер вылил воду из сосудов и наполнил их
раствором сульфата меди, а потом погрузил их в ванну
с раствором железистосинеродистого калия. Если эти
два раствора просто смешать, образуется коричневый
студенистый осадок железистосинеродистой меди.
Сейчас растворы были разделены стенками глиняного
сосуда. Однако в результате диффузии сульфат меди
начал проникать через стенки сосуда в ванну, а желе-
зистосинеродистый калий — в сосуд. Когда они
смешались, образовавшийся коричневый осадок
закупорил поры глиняного сосуда. Теперь стенки сосуда
могли играть роль полупроницаемой перегородки.
Пфеффер налил в сосуд раствор, к горлышку
присоединил длинную стеклянную трубку и погрузил свой
прибор в воду. Стенки сосуда были крепкие и могли
выдержать высокое давление. Теперь можно было
измерять более высокое давление. Так был создан
первый осмометр — прибор для измерения осмотического
давления.
Началась новая серия опытов. Вскоре было
установлено, что осмотическое давление зависит и от тем-
56
пературы: чем выше температура, тем выше и
осмотическое давление,
— Я тоже знала и профессора Пфеффера и
профессора Рауля, — сказала красная капля.
— Ты видела их обоих?—удивилась я.
— Нет. Ни того, ни другого.
— Как же так? Не понимаю твоего хвастовства.
— Очень просто. Я попала в лабораторию другого
большого ученого. А он часто вспоминал эти имена.
— Мы будем рады, если ты расскажешь о нем.
Капля не стала ждать повторного приглашения и
начала свой рассказ.
ВАНТ-ГОФФ, ОСМОС И ЭЛЕКТРОЛИТЫ
Якоб Гендрик Вант-Гофф был профессором химии
и минералогии в Амстердаме. Худощавый, стройный,
с высоким лбом, обрамленным русыми волосами, он
был и человеком обаятельным. Отличный математик,
вдумчивый физик, изобретательный
химик-экспериментатор...
В Лейдене, где он совершенствовал свои знания в
математике, Вант-Гофф встретился с Августом Кеку-
ле, который пригласил его в Бонн работать над
проблемами структуры органических соединений.
Несколько лет совместной работы Вант-Гоффа с круп-
иым ученым дали блестящие результаты. Вант-Гофф
создал новую теорию, объясняющую свойства
органических веществ особым расположением атомов в
пространстве. Он стал родоначальником науки о
«геометрии молекул» — стереохимии. Следующим шагом
было учение о химическом процессе, о равновесии и
скоростях химических реакций. Затем Вант-Гофф
занялся исследованиями растворов.
Шел 1884 год. Уже были проведены выдающиеся
работы Пфеффера и Рауля. Закономерности,
открытые ими, хорошо подтвердились опытами, особенно
для разбавленных растворов.
— Интересно, — рассуждал Вант-Гофф, — что
подобное существует и у газов: газовые законы тоже не
имеют отклонений только при достаточном
разрежении, когда свойства реальных газов становятся
57
Якоб Гендрик Вант-Гофф
(1852—1911) — голландский
физикохимик. Родился в
Роттердаме, был профессором у
себя на родине, а позже в
Берлине. Его теоретические
работы внесли существенный вклад
в развитие учения о
химической кинетике, химическом
равновесии, о свойствах
растворов. Создал оригинальный
метод вычисления химического
сродства, разработал основы
стереохимии.
близкими к свойствам воображаемого газа,
«идеального». А может быть, нужно ввести также понятие
«идеального раствора», для которого будут в силе
законы Пфеффера и Рауля? Но что понимать под
идеальным раствором? В идеальном растворе между
частицами растворенного вещества существует очень
слабое взаимодействие, которым можно пренебречь.
Это напоминает разреженные газы, где молекулы
также весьма слабо действуют друг на друга.
Вант-Гофф погрузился в свои мысли. Он сам
задавал себе вопросы и сам отвечал на них. Так
постепенно он уточнял свои предположения, делал
обобщения.
— Неужели это только аналогия? А если
существует более глубокая связь? Предположить можно
все. Начнем с давления. Пфеффер измерил
осмотическое давление ряда растворов сахара. Вычислим
число молекул в единице объема таких растворов.
Вант-Гофф подсчитал число молекул в литре
раствора сахара.
— Каким было бы давление, созданное этим же
числом молекул, если бы они находились в том же-
•объеме, но уже в газообразном состоянии? Это тоже
.легко вычислить.
58
Вант-Гофф произвел подсчеты. И что же? Его
вычисления дали ту же цифру, которую получил Пфеф-
фер при своих измерениях.
Случайность это или закономерность?
Целый день Вант-Гофф не поднимал головы от
тетради. Он вычислил осмотическое давление всех
растворов, с которыми работал Пфеффер, — и для
сахара, и для глицерина, и для глюкозы. Результаты
показывали одно и то же: осмотическое давление,
измеренное Пфеффером для растворов, было таким же,
как давление, вычисленное Вант-Гоффом для того же
числа молекул, находящихся в газообразном
состоянии в том же объеме, какой занимал раствор.
Значит, сходство не случайно. Законы газов были
действительны и для разбавленных растворов. Тогда
для них должно быть в силе и общее уравнение для
газов. Но для растворов значение имеет не объем, а
концентрация. В сущности, это не меняет положения:
чем больший объем V занимает растворитель, тем
разбавленнее раствор. Следовательно, объем обратно
пропорционален концентрации С, поэтому вместо
уравнения PV = RT можно написать так: Р/С = RT
или Р = CRT.
— Да. Это уравнение осмотического давления Р.
Ясно, что осмотическое давление прямо
пропорционально и концентрации С и абсолютной температуре
раствора Г, а константа R должна иметь то же
значение, что и для газов.
Тогда осмотическое давление раствора должно
быть равно давлению газа такого же объема, если
этот газ содержит то же число молекул, что и
растворенное вещество. Эта мысль великого ученого
теперь получила название закона Вант-Гоффа.
Вант-Гофф вычислил давление раствора одномо-
лярной концентрации и получил новый, неожиданный
результат — 22,4 атмосферы.
— Неужели в клетках могут возникать такие
огромные силы?
Вант-Гофф был взволнован, он вышел на улицу.
— Якоб! Неужели ты меня не видишь? — Это был
его приятель Гансен, историк и литератор.
— Гансен! — обрадовался Вант-Гофф. — Извини,
я действительно задумался и не заметил тебя.
5?
Вант-Гофф (слева) и Вильгельм Оствальд (справа) в
лаборатории.
Хочешь, я расскажу тебе о том, что меня занимает,
об одном интересном явлении. Называется оно
осмотическим давлением.
— Ты знаешь, я предпочитаю литературу, но...
послушаем.
Вант-Гофф начал свой рассказ. От
полупроницаемых перегородок он перешел к живым клеткам, к
огромной силе, которая возникает в них в результате
осмотического давления.
— Благодаря осмотическому давлению вода
поступает в клетки растения и поднимается на десятки
метров, чтобы достичь самых отдаленных листочков
на вершине деревьев.
— Постой, — остановил его приятель. — Теперь и я
начинаю понимать кое-что. Пожалуй, история
сможет принести пользу химии,
— Вот как?
60
Они уселись на скамейку, и Гансен заговорил.
— Много раз я тебе рассказывал о египетских
пирамидах. Меня всегда поражало, сколько
чудовищных сил и средств затрачизалось на их сооружение.
Много еще тайн скрыто под величественными
громадами этих единственных в своем роде памятников
древности. Откуда взялись эти огромные каменные
блоки? Как их переносили? Как их вырубили из
скал, которые находились далеко от места
строительства пирамид? Да... Я бывал там. Южнее по течению
Нила есть огромные скалы. Они из тех же пород, из
каких сложены пирамиды. Там я увидел вещи,
которые были мне до сих пор непонятны, но теперь я
могу их объяснить. В скалах высверлены скважины
диаметром примерно в два кулака. Расположены они
близко друг к другу как бы по контурам каменных
блоков правильной геометрической формы.
Египтологи считают, что древние египтяне вставляли в эти
отверстия стволы деревьев, а потом заливали их
водой. Деревья набухали и откалывали огромные
блоки правильной формы, которые потом можно было
отправить вниз по течению к месту строительства
пирамид.
Вант-Гофф слушал, затаив дыхание. Перед его
глазами ясно рисовались картины гигантского труда
создания пирамид.
— Они использовали осмотические силы, —
сказал он. — Не пенимая сущности явления, они
остроумно применяли его на практике. Действительно,
возникающие в этом случае огромные силы могут
разрушить даже скалы. Вода, поступая в клетки
древесины, создает давление, которое распирает их, и
вот...
— А может быть, египтяне тогда понимали это
явление? — прервал его Гансен.
— Едва ли.
Исследования ученого не остановились на
открытии закона. Он решил проверить, в каких случаях
можно его использовать. Началась трудная,
кропотливая работа. Вант-Гофф вычислял осмотическое
давление, а потом измерял его осмометром. Вскоре
опыты принесли ему разочарование. Для одних
растворов опыты показали полное совпадение с
«1
теорией, а для других осмотрическое давление была
много выше, чем полученное путем вычислений. С
каждым днем число веществ, растворы которых имели
более высокое осмотическое давление по сравнению с
вычисленным, увеличивалось. Все новые и новые
задачи ставил Вант-Гофф перед собой и своими
помощниками.
— Нужно измерить температуру замерзания
растворов этих веществ. — Вант-Гофф дал заполненный
формулами лист бумаги своему ассистенту Стан-
форду.
— Нужно проверить и повышение температур
кипения?
— Этим займется Виктор. Только используйте
одни и те же растворы.
Вант-Гофф задумался на мгновение, а потом
вдруг крикнул вышедшему в соседнюю лабораторию
Станфорду.
— Станфорд! Дайте-ка мне лист с формулами!
Вант-Гофф пробежал глазами написанное.
— Замечательно! Обратите внимание на
соединения. Все они являются кислотами, основаниями или
солями, то-есть электролитами, как их назвал Фара-
дей. Значит, в растворах именно тех веществ,
которые в растворенном состоянии проводят
электрический ток, наблюдается отклонение от закона
осмотического давления.
Он помолчал с минуту и продолжал.
— Делайте измерения и сразу же приносите
данные мне.
Прошло несколько дней. Тетрадь, исписанная
цифрами, лежала на столе Вант-Гоффа. И на этот
раз — новые затруднения. Вещества, исследованные
Станфордом и Виктором, показали отклонение и от
законов Рауля. Растворы замерзали при более
низких температурах, чем вычисленные Вант-Гоффом
теоретическим путем, а закипали при более
высоких.
Вант-Гофф не отрываясь смотрел на столбики
цифр. На первом листе были записаны результаты
опытов с раствором хлорида натрия. Вант-Гофф
заметил, что данные измерений почти в два раза
больше вычисленных.
62
— Но это удивительно! Я вычислил, что
осмотическое давление должно быть 11 атмосфер, а при
измерении оказалось — 21,8 атмосферы. Понижение
температуры замерзания должно составлять 0,9°, а
измерения Станфорда дали 1,76°. А повышение
температуры кипения? Вместо 0,25° получено 0,49°. Если
разделить величины, полученные опытным путем, на
вычисленные, то получим число, близкое к двум. Так
ли это и для других растворов?
Он начал лихорадочно подсчитывать. Результаты
были более чем неожиданные. Для раствора
сульфата натрия Вант-Гофф получил число, близкое к
трем, для раствора нитрата калия — около двух. Еще
интересней было то, что эти числа одинаковы только
для одной концентрации раствора — молярной; если
же концентрация раствора была другой, изменялось
и число. Так, например, один из растворов нитрата
калия имел величину 1,7, другой, более
разбавленный,— 1,85, а третий, еще более разбавленный—1,95
и т. д. Это повторялось у всех веществ. Вант-Гофф
стоял перед новой загадкой.
Почему электролиты не подчиняются законам?
В сущности, если в каждом случае вычисленный
теоретически результат умножить на некое число (Вант-
Гофф назвал его изотоническим коэффициентом), то
получится истинная величина осмотического давления,
и величина понижения температуры замерзания
раствора, и величина повышения температуры его
кипения. Вант-Гофф назвал растворы с одинаковым
осмотическим давлением изотоническими. Если какой-то
раствор имел осмотическое давление ниже, чем
другой, то он назывался гипотоническим, а если его
давление было выше — то гипертоническим раствором.
Изотонический коэффициент решал вопрос, но не
объяснял ничего. Причины явления оставались
непонятными.
Несколько месяцев спустя к Вант-Гоффу приехал
Сванте Аррениус. Вант-Гофф встретил его любезно.
— Вы из Граца, кажется?
— Да. Я провел там почти год. Работал у
Людвига Больцмана.
— Сколько времени вы собираетесь пробыть в
Амстердаме?
63
— Это зависит от многого, но, вероятно, не
меньше года. Ваши исследования, господин Вант-Гофф,
тесно связаны с моей гипотезой электролитической
диссоциации.
— Возможно. Я уже читал вашу диссертацию.
Надеюсь, что общими усилиями мы сможем
добраться до истины.
— Да, надеюсь, что сможем! — сказал Арре-
ниус. — У меня уже есть некоторые идеи, которые
помогут объяснить суть изотонического коэффициента
для электролитов.
Ученые склонились над разбросанными на столе
бумагами и повели серьезный разговор.
Аррениус держался так непринужденно, так
непосредственно, как будто они были старыми друзьями.
Веселый характер Аррениуса, его открытая улыбка
и легкий юмор, которым была окрашена его беседа,
быстро завоевали сердце Вант-Гоффа. Скоро оба
ученых стали неразлучными друзьями. Их
совместная работа оказалась очень плодотворной. Их
открытия, новаторские для того времени, были встречены
с недоверием, но вскоре все убедились в
правильности их выводов и оба ученых получили признание
во всем мире.
... — А теперь моя очередь, — заговорила одна
симпатичная капелька. — Я хочу рассказать вам о
Сванте подробнее.
— Не спеши, дорогая, — прервала ее старая
электрическая батарея. — Послушайте сначала меня,
старую, потому что я много страдала, много видела и
уже недолго осталось мне жить. Один
неблагодарный забросил меня сюда, и теперь влага разрушает
меня. Запомните хорошенько мой рассказ.
РАСТВОРЫ ОБЪЯСНЯЮТ ТАЙНЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Это было очень, очень давно. Люди тогда еще
только начинали овладевать тайнами электричества.
Они знали еще о нем очень мало, но уже могли
получать его. Многие ученые сами изготовляли
электрические батареи и изучали действие электрического
тока. Электричество интересовало и молодого Ионса
64
Якоба Берцелиуса. Он только что получил место
бесплатного врача в Хирургическом училище в
Стокгольме. Господин Гизингер, владелец рудников в
южной части Швеции, предложил ему квартиру в
своем доме.
— Не нужно меня благодарить, — предупредил
его Гизингер. — Я знаю, что на первых порах вам
будет трудно — работа без оплаты, нехватка средств...
— Это ведь только на несколько месяцев, —
сказал Берцелиус.
— Рад, что вы оптимист, господин Берцелиус.
Иногда бесплатные помощники работают по 5—6 лет,
пока добудут себе оплачиваемое место. Но не
беспокойтесь. Вы еще молоды и справитесь. И может
быть, все это и к лучшему.
Берцелиус посмотрел на него с удивлением.
— Я не понимаю вас.
— Я хочу сказать, что вам на это время нужно
поискать еще какую-нибудь работу, которая
приносила бы доход.
— Может быть, можно получить частные уроки?
— А не хотели бы вы работать у меня? Мне нужен
образованный помощник.
— Но чем я могу помочь вам на ваших
рудниках?
— Пойдемте со мной, посмотрите.
Гизингер повел Берцелиуса в нижний этаж. Они
вошли в небольшую, но прекрасно оборудованную
лабораторию.
— Вы меня удивляете, господин Гизингер! Вы
сами занимаетесь химией?
— Знаете ли, дорогой Ионе, — позвольте мне так
вас называть, — в моих рудниках добывают самые
разнообразные минералы. Мне кажется, что
некоторые из них до сих пор не известны. Может быть, в
них содержатся и новые, неизвестные элементы.
Я пытаюсь здесь проводить исследования. Но моих
сил не хватает.
— И вы хотите, чтобы я вам помог?
— Это было бы прекрасно.
— Конечно. Занятия химией стали для меня
удовольствием. Расскажите о своей работе подробнее!
3 Зак. 520
65
Ионе Якоб Берцелиус (1779—
1848) — шведский химик. В
юности химия не была его
любимым предметом. Он с
трудом сдал экзамены в
университет, но там он увлекся
опытами. Профессор химии
встретил с раздражением его
желание работать в химической
лаборатории. «Знает ли эта
молодежь разницу между
лабораторией и кухней?!» —
восклицал он иронически.
Берцелиус настолько увлекся
химическими экспериментами, что,
подкупив сторожа
лаборатории, работал там без
разрешения профессора. Однажды его
застали «на месте
преступления», но вместо исключения из
университета он получил
разрешение входить в
лабораторию через парадный вход и в
то время, когда там работал
профессор. В 1807 г. он стал
профессором химии и
фармации. Берцелиус провел ряд
электрохимических
исследований, в результате которых
оформились основы будущей
электрохимической теории
строения вещества. Долгие
годы он работал в области
аналитической и неорганической
химии, провел анализы многих
минералов. Открыл вместе с
Гизингером церий, селен,
торий, впервые получил в
свободном состоянии кремний,
титан, тантал и цирконий,
открыл ряд новых элементов,
уточнил атомные веса почти
всех открытых до него-
элементов. И все это достигнуто
было с помощью простейших
средств. Разглядывая весы, с
которыми работал Берцелиус,
Вильгельм Оствальд
воскликнул: «Теперь мне ясно, как
мало результаты опыта зависят
от прибора и как много от
человека, который стоит перед
ним!».
Берцелиус первый
предложил химические символы,
которыми во всем мире
пользуются с тех пор. Его имя
связано со многими открытиями
XIX в., в частности широко
известны его работы по
катализу. Сами понятия катализа
и катализатора были введены
в науку Берцелиусом.
Берцелиус был и энергичным
популяризатором науки,
автором многих учебников химии.
Он организовал издание
знаменитого химического ежегодника
(Jahresbericht uber die Fort-
schritte der Chimie und Minera-
logie»}. Это был первый
реферативный журнал, в котором
описывались все исследования,
проведенные за год в данной
области. Из этих ежегодников
сам Берцелиус выпустил 27
объемистых томов. Берцелиус
поддерживал научные и
дружеские связи со многими
известными учеными своего
времени — Бертолле, Дэви, Гей-
Люссаком, Лапласом,
Ампером. Его учениками были Ве-
лер, Митчерлих, Гесс, Генрих,
и Густав Розе и др.
66
— В сущности, вы знаете больше меня, но...
слушайте. Видите эти блестящие кристаллы? Это какой-
то новый минерал. У него нет еще даже названия.
Я хотел бы вместе с вами исследовать его. Может
быть, лучше всего будет, если мы используем
электричество. Вы знаете, что электричество вызывает
разложение некоторых растворов?
— Да. Я даже сам использовал этот метод.
— Отлично. Нужно сделать электрическую
батарею! — воскликнул Гизингер.
— Это нетрудно. Нужны только медная и
цинковая пластинки.
Вильгельм Гизингер был деловой человек. Через
несколько дней батарея была готова, и они получили
электрический ток. Берцелиус растворил блестящие
кристаллы минерала в кислоте, налил раствор в
чашку и погрузил в нее концы двух проводов. Когда
ток проходил через раствор, вокруг проводов
появлялись пузырьки газа.
— Удивительная сила — это электричество!
Знаете ли, господин Гизингер, по мнению Теодора Грот-
гуса, ученого из Прибалтики, электричество обладает
способностью к разложению вещества на две
частицы — положительную и отрицательную.
— А когда процесс происходит в растворе, эти
частицы притягиваются к противоположно
заряженным электродам, вероятно?
— Да, но это возможно только в том случае, если
само вещество состоит из положительно и
отрицательно заряженных частиц. Очень интересные
проблемы связаны с электричеством!...
— Вы углубляетесь в теорию, дорогой Ионе. Если
нам и не ясно пока, что происходит в растворе,
использовать разложение мы можем. Ведь в результате
образуются новые соединения.
Схема установки Берце-
лиуса для проведения
электролиза. Вместо
катода использовалась -ЗЫ
капля ртути.
Источником
постоянного тока была батарея
типа вольтова столба.
з*
67
Приборы, которыми пользовался Гемфри Дэви при проведении
опытов.
Эти знаменитые опыты были проведены в 1803 г.
Тогда явления, связанные с электричеством, были
изучены еще слабо, но ученые понимали, что
электрический ток расширит возможности химии.
В опытах Берцелиуса и Гизингера зародилась
электрохимическая теория, которой Берцелиус хотел
объяснить причины образования химических
соединений.
Одновременно в Англии Гемфри Дэви также
изучал действие электричества на химические
соединения. Он уже знал, что электричество способно
проводить не только через растворы некоторых веществ,
бо и через их распл-авы. Он пропускал электрический
ток через расплавы едкого кали, едкого натра и
других щелочей. Дэви сумел впервые получить
неизвестные до того в свободном состоянии металлы — калий,
натрий, кальций и др.
Так электричество было покорено. Оно уже
служило людям. С его ггомощью ученые могли получать
металлы.
— Видите, — сказала батарея, — мои цилиндры
сделаны из цинка, полученного электролизом. И
медные провода, и алюминиевая обмотка — тоже
результат электролиза,
68
И все-таки, это было только начало.
После смерти Дэви никто не смел прикасаться к
аппаратуре, с которой он работал. Электрическая
лаборатория в Лондоне стояла закрытой. Но это
продолжалось недолго. Ученик Дэви Майкл Фарадей не
потерял интереса к этому удивительному явлению
природы. Еще в 1821 г. Дэви и Фарадей начали
исследования в области электричества, по чрезмерная
.занятость Дэви помешала их совместной работе.
В то же время и Фарадей был поглощен другими
интересными исследованиями — он изучал
способность стекла преломлять свет. Теперь Фарадей снова
вернулся к электричеству. Запущенная аппаратура
была очищена. Лаборатория проснулась, чтобы
увидеть новые открытия.
— Нет никакого сомнения, что существует два
вида электричества: положительное и
отрицательное,— рассказывал Фарадей своему другу
известному историку Вильяму Уевеллу.
— Вот, смотрите, эта бумажка смочена
раствором иодида калия. Если до нее дотронуться двумя
концами проводов, соединенных с батареей, то под
действием электрического тока на положительном
полюсе появится коричневое пятно от иода.
— Майкл, почему бы не дать названий процессу
и участвующим в нем веществам? Так будет легче
выражать свои мысли.
— Вы правы, Вильям. Насколько проще, если мы
скажем: раствор электролита. Это будет означать,
что мы имеем дело с веществом, раствор которого
проводит электрический ток.
— Но вы объясняли мне, что электрический ток
ведет к разложению электролита и к образованию
новых продуктов?
— Да. Этот процесс можно назвать электролизом.
— Видите, насколько понятнее теперь. «Лизис»
ло-гречески означает «распад», электрическое
разложение — электролиз.
Постепенно Фарадей расширил число новых
терминов. Провода, опущенные в раствор, на которых
выделялось образующееся вещество, он назвал
электродами. Отрицательный электрод получил название
катода, положительный стал называться анодом.
69
Майкл Фарадей (1791—1867)—
английский физик и химик,
крупнейший ученый XIX в.
Родился в пригороде Лондона
в семье кузнеца. С детских лет
узнал тяжелый труд. В 13 лет
стал учеником в переплетной
мастерской. Его природная
любознательность превратила эту
работу в удовольствие.
Фарадей читал и запоминал все, что
попадало в его руки. Здесь
зародилась его любовь к химии
и физике. В 1812 г. Фарадей
смог прослушать курс лекций
знаменитого химика Гемфри?
Дэви и стал его ассистентом.
Вся жизнь Фарадея — это*
ряд открытий. Он получил ряд
новых соединений, в том числе
бензол, впервые осуществил
сжижение хлора. В 1821 г.
Фарадей создал лабораторную
модель электромотора. &
1831 г. он открыл явление
электромагнитной индукции —
возникновение электрического»
тока при относительном
движении проводника и магнита.
Фарадею мы обязаны и
открытием самоиндукции. В>
1833—1834 гг., изучая
протекание электрического тока
через растворы солей, оснований
и кислот, он установил
законы электролиза. Терминология,
предложенная Фарадеем,
используется и сейчас. В
1824 г. он стал членом
Лондонского королевского
общества, а спустя год — директором*
Британского королевского
института. Фарадея называли*
самым одаренным из
одаренных. Его самоотверженность^
страсть к науке и
благородство вызывали всеобщее
уважение.
— Под действием тока электролит разлагается
на две части, как вы знаете, — говорил Фарадей.—
Вот, например, нитрат натрия распадается на
положительный ион натрия и отрицательный ион нитрата.
Ион нитрата притягивается к аноду, поэтому я
назвал его анионом, а ион натрия притягивается к
катоду и. следовательно, его можно назвать катионом.
А теперь дальше. Я хотел бы еще раз показать, как
появляется иод на бумажке, смоченной раствором
иодида калия, если подвести к ней ток.
— Пожалуйста, но я не понимаю, что вы здесь
видите, Майкл. Кроме коричневого пятна, ничего-
нового.
70
ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ
НЕЙТРАЛИЗУЮТСЯ НА КАТОДЕ, А ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ НА АНОДЕ
71
— Правильно, пятно, но обратите внимание на его
размеры!
— Кажется, оно постепенно увеличивается.
— Верно, Вильям. И вот какая закономерность:
количество вещества, выделяющееся на электроде^
прямо пропорционально количеству электричества,
пропускаемого через раствор.
Для измерения количества электричества Фарадей
сконструировал специальный прибор. Он назвал его
вольтовым электрометром (сейчас его называют
газовым кулонометром). Чтобы узнать количество
электричества, проходящего через раствор, измеряются
объемы водорода и кислорода, образовавшиеся при
разложении^воды электрическим током.
— Каким простым кажется открытие и какое
величие скрывает в себе! — сказала, задыхаясь, старая
батарея.
Она не смогла докончить. Ее картонная оболочка
пропиталась водой, раскисла, и батарея развалилась...
— А теперь послушайте мою историю. Речь
пойдет о большом ученом и веселом человеке Сванте Ар-
рениусе. — ТАК НАЧАЛА НОВАЯ КАПЕЛЬКА
СВОЙ РАССКАЗ, В КОТОРОМ
СВАНТЕ АРРЕНИУС ДОКАЗЫВАЕТ, ЧТО
ЭЛЕКТРОЛИТЫ— НЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ
Я увидела его впервые, когда ему было немногим
более двадцати. В физической лаборатории Академии
наук в Стокгольме удобно устроились за столом двое
ученых. Отто Петерсон, недавно назначенный
профессором физики в Стокгольмский университет, обсуждал
с профессором Эдлундом набросанную на бумаге
схему. Тихая беседа была прервана стремительно
вошедшим Сванте Аррениусом. Он приветливо
поздоровался, но заметив Петерсона, смутился.
— Какая встреча!—улыбнулся Петерсон. — Уж.
не скрываетесь ли вы от профессора Талена?
— Вы знаете, господин Петерсон, что я не люблю
его. Он чересчур педантичен в своих опытах. Это меня
раздражает. Даже больше — это для меня невыноси-
72
Сванте Аррениус (1859—1927)
— шведский химик, автор
теории электролитической
диссоциации. Его исключительные
способности, знания и
интересы проявились еще в первых
исследовательских работах,
которые он проводил в
лаборатории профессора Талена. Здесь
он работал над диссертацией
«Исследование гальванической
проводимости электролитов».
В ней отразились уже
некоторые идеи будущей теории
электролитической
диссоциации. Исследование было
встречено холодно. Старые
профессора видели в нем
собрание абсурдных мыслей,
поэтому Аррениусу отказали
в месте доцента в
университете г. Упсала. Но
работы Аррениуса обратили на
себя внимание крупных ученых
— Клаузиуса, Мейера,
Оствальда. Особенно
доброжелательно отозвался о
необычайных для того времени
научных взглядах Аррениуса
Оствальд. Он специально приехал
в Швецию, чтобы
познакомиться с Аррениусом, и пригласил
его к себе работать.
Сотрудничая с Оствальдом в Риге,
Аррениус провел важные
исследования в области
химической кинетики, изучал
электропроводность растворов, их
вязкость. В 1887 г. на страницах
немецкого журнала появилась
статья Аррениуса, в которой
он изложил основы теории
электролитической
диссоциации. Эта теория принесла ему
мировую славу. Большим
вкладом в науку было его
исследование зависимости
скорости химических процессов от
температуры.
Кроме проблем химии,
Аррениуса интересовали и многие
другие вопросы, о чем говорят
названия некоторых его
статей и книг: «Образование
миров», «Жизнь во Вселенной»,
«Судьба звезд», «Человек и
загадки мира» и др.
Аррениусу была
присуждена Нобелевская премия по
химии, а в 1905 г. он возглавил
Нобелевский
физико-химический институт в Стокгольме*
Даже его прежний противник
профессор Клеве заявил:
«Мантия, упавшая с плеч Берцели-
уса, теперь возложена на
Сванте Аррениуса.
мо. Не могу понять, зачем повторять опыты по десять
раз, если получается один и тот же результат. Десять
раз получать одно и то же?
— Профессор Тобиас Тален имеет право, —
вмешался Эдлунд, — хотя при современной точности
измерений и при наличии прекрасного оборудования во
многих случаях лишние повторения не имеют смысла.
73
— В том-то и дело, что аппаратура в лаборатории'
Талена в Упсала довольно скудная и самые
незначительные результаты там получают только за счет
каторжного труда, — заметил Петерсон.
— У меня нет возможности продолжать работу
над диссертацией, и я приехал к вам, профессор Эд-
лунд, с просьбой взять меня работать в вашу
лабораторию.
— Над чем вы работаете?
— Я исследовал электропроводность растворов-
электролитов.
— Но по этому вопросу уже есть работы.
Известны результаты, опубликованные Ленцем и Кольрау-
шем, — сказал Эдлунд.
— Да, но мои исследования относятся к сильно
разбавленным растворам. По-видимому, при сильном
разбавлении свойства растворов значительно
изменяются. Наблюдаются совсем другие соотношения.
— В моей лаборатории всегда найдется место для
того, кто любит науку. Можете начинать завтра.
— Очень способный молодой человек, — заметил
после его ухода Петерсон. — И никак не может
сработаться с профессором Таленом! Его молодой,
кипящий ум непрерывно создает гипотезы. Он любит
объяснять все явления по-своему, а это противоречит
принципам Талена, который верит только опытам.
— Иногда и ученому нужно иметь смелость.
Гипотеза нужна, была бы только она разумной и
связанной с практикой.
Любая серия опытов, любые результаты
заставляли Сванте делать выводы и предположения. И
готовил ли Сванте растворы, работал ли с
гальванометром или обрабатывал данные, он постоянно
напевал какую-нибудь песенку. А иногда он
рассказывал веселые истории, и все в лаборатории
смеялись. Скоро Сванте Аррениус стал любимцем своих
коллег.
Исследования Аррениуса были разнообразными.
Он сравнивал электропроводность отдельных
электролитов и их смесей, измерял электропроводность
при различных температурах, исследовал влияние
растворителя на электропроводность, проверял, как
отражается на ее величине разбавление раствора. Он
74
изучал водные растворы многих кислот, оснований и
солей.
Растворы, как и все проводники, оказывают
сопротивление электрическому току.
Электропроводность— величина, обратная сопротивлению. Но если
•по отношению к металлам вопрос был простой, то
для растворов это оказалось гораздо сложнее.
Количество вещества, растворенного в определенном
объеме раствора, уменьшается при разбавлении
раствора. Чтобы правильно судить о свойствах
растворенного вещества, надо вести расчет при постоянном
-его количестве в растворе, находящемся между
электродами. Это достигается введением понятия
эквивалентной электропроводности. Эквивалентной
называют электропроводность раствора, который содержит
1 грамм-эквивалент растворенного вещества. И еще
условие: электроды должны быть расположены на
расстоянии 1 метра друг от друга.
Аррениус часто делился своими мыслями со своим
другом Олфсеном.
— Понимаете, число частиц, которые находятся
между двумя электродами, должно оставаться
постоянным. Тогда, если мы разбавим раствор, мы только
удалим эти частицы друг от друга, а по отношению
к проходящему току количество их будет тем же
самым.
— У вас уже есть какие-нибудь результаты?
— Да. И очень интересные. Когда раствор
разбавляется, его эквивалентная электропроводность
постепенно нарастает, пока не достигнет конечной
величины при бесконечно большом разбавлении. Это
означает, что активная часть электролита, т. е. число
-частиц, которые проводят электрический ток,
увеличивается.
— Но это необъяснимо.
— Почему же? Объяснимо. Нужно только создать
новую гипотезу.
— Снова гипотезы! Будьте серьезнее! Это же
диссертационная работа.
— Знаю, и именно поэтому я и создал гипотезу.
Я даже назвал ее электролитической
диссоциацией.
— Что же это означает?
75
— Диссоциация, как вы знаете, означает «распад».
Мы часто употребляем термин «термическая
диссоциация»— распад вещества под действием тепла.
«Моя» диссоциация — электролитическая, т. е. она
совершается в электролитах — веществах, растворы или
расплавы которых проводят электрический ток.
Видите ли, Олфсен, до сих пор все думали, что при
прохождении электрического тока через раствор
электролит распадается на ионы. Мои исследования показали
другое: одно и то же количество вещества, один и тот
же ток, а чем больше разбавлен раствор, тем выше
его электропроводность. Догадываетесь, в чем дело?
— Откровенно говоря, нет.
— В сущности, все очень просто. В воде вещества
распадаются на ионы.
— Как? Без участия электрического тока?
— Конечно. Все совершенно ясно: разбавленный
раствор, больше воды, больше ионов. А это означает,
что распадение на ионы происходит еще при
растворении вещества в воде.
— Это неслыханно! Вам никто не поверит. Не
забивайте себе голову такими фантазиями!
Олфсен смотрел на вещи трезво. Действительно,
никто не поверил Аррениусу. 6 июля 1883 г. он
доложил о результатах своих исследований в
Стокгольмской Академии наук. Его выводы и особенно гипотеза
электролитической диссоциации были встречены с
недоверием. Началось бурное обсуждение, но в
конце концов академики согласились опубликовать эту
работу. В 1884 г. в VIII томе «Трудов» Шведской
королевской Академии наук были напечатаны две
статьи на тему «Исследование гальванической
проводимости электролитов». На 150 страницах Аррениус
описал свои опыты, рассказал об их результатах и
высказал новые предположения. Он даже ввел
понятие «степень электролитической диссоциации»,
которая выражалась отношением числа распавшихся на
ионы молекул к первоначальному числу растворенлых
молекул.
Против новой теории выступали почти все ученые
того времени. Но все же Аррениусу была присуждена
степень доктора, и он надеялся получить место в
университете в Упсала.
76
МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ РАЗРУШАЮТ
КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ РЕШЕТКУ
ХЛОРИДА НАТРИЯ
В это время в Упсала приехал Вильгельм
Оствальд. Он внимательно ознакомился с
исследованиями Аррениуса и нашел их очень интересными.
Оствальд высказал свою точку зрения профессору
Петеру Клеве. Профессор испытующе посмотрел на
Оствальда и, показав на сосуд, наполненный каким-то
раствором, сказал:
— Вы действительно верите, что в этом сосуде
атомы натрия плавают, как какие-нибудь рыбы в море?
— Может быть, не как рыбы, но безусловно
«плавают».
Профессор Клеве не возражал. Он был уверен,
что это невозможно. Натрий — один из самых
активных элементов, бурно реагирующий с водой, давая
едкий натр и водород. И поверить, что атомы натрия
«плавают» и никакой реакции не происходит...
Аррениус еще не успел объяснить различия между
атомами и ионами и никто еще не знал, что свойства
ионов отличаются от свойств *атомов.
Противники теории электролитической
диссоциации объединились и решительно отклонили
кандидатуру Аррениуса в доценты. Но у,Аррениуса были и
друзья. Одним из них был профессор Эдлунд. Он
вызвал Аррениуса к себе в Стокгольм.
— Не стоит отчаиваться, Сванте. Мы, старики, с
трудом воспринимаем новое. За него нужно бороться.
Вот, возьмите эту чековую книжку. Это стипендия,
отпущенная вам Шведской Академией наук.
Огромная сумма — 4500 шведских крон. Поезжайте
работать за границу. Мы считаем, что вы способны многое
дать науке. В добрый час, доктор Аррениус! *
Аррениус работал в Риге у Оствальда, в Вюрцбур-
ге у Кольрауша. После этого он поехал в Грац, чтобы
сотрудничать с Людвигом Больцманом, а оттуда —
в Амстердам к Вант-Гоффу. Это были годы
непрерывного труда, годы, в которые теория электролитической
диссоциации все больше крепла.
Особенно плодотворной была работа с Вант-Гоф-
фом. Отклонения от законов Рауля и законов
осмотического давления, открытых Вант-Гоффом,
показали, что электролиты — вещества, обладающие
особыми свойствами. И теория электролитической
диссоциации легко объяснила это.
78
АТОМЫ НАТРИЯ РЕАГИРУЮТ С ВОДОЙ, А ИОНЫ НАТРИЯ
СПОКОЙНО «ПЛАВАЮТ» В ВОДЕ
^L
:?jf- >
&=^
Осмотическое давление определяется свободно
двигающимися в растворе частицами. Чтобы
рассчитать осмотическое давление, Вант-Гофф принимал во
внимание только число молекул, а ведь в растворе
электролита находятся не только молекулы, в
растворе есть и ионы. И поэтому число частиц в два,
в три, в четыре, во столько раз больше числа
молекул, во сколько больше ионов получается из молекул
при электролитической диссоциации. А это означает,
что и осмотическое давление будет во столько же раз
выше. Используя теорию электролитической
диссоциации, Аррениус дал формулу для вычисления
изотонического коэффициента, предложенного Вант-Гоф-
фом.
Итак, электролиты перестали быть исключением.
Ученые убедились, что эти вещества распадаются на
ионы уже в момент растворения.
Не прошло и десяти лет, как теория
электролитической диссоциации получила полное признание.
К этому времени Аррениус уже был профессором
физики в Стокгольме. Два года спустя Аррениус был
назначен директором отдела физической химии в
Нобелевском институте Академии наук. На этом посту
он оставался до конца своей жизни, до 1927 г.
— Я тоже его знала, — тихо сказала одна
застенчивая капля.
— Так расскажи нам поскорее, что ты помнишь!
— С удовольствием, — прозвенело в ответ. —
ОКАЗЫВАЕТСЯ,
СРЕДИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ЕСТЬ СИЛЬНЫЕ
И СЛАБЫЕ
Был 1889 год. К Вильгельму Оствальду,
профессору физической химии в Лейпцигском университете
приехал Сванте Аррениус, чтобы продолжить
исследования, начатые ими еще в Риге.
Новые теории, перспектива поработать с
крупнейшими европейскими химиками, привлекли сюда также
Ивана Алексеевича Каблукова.
— Новое, что я выяснил за последнее время, —
рассказывал коллегам Оствальд, — это обратимость,
80
равновесность процесса диссоциации. Молекулы
электролита диссоциируют на ионы, а ионы при своем
движении в растворе сталкиваются, притягиваются
друг к другу и снова соединяются в молекулы. При
равновесном процессе отношение между
произведением концентраций ионов и концентрацией целых
молекул при данной температуре есть величина
постоянная. Это отношение — константа диссоциации
процесса.
— Основываясь на этих представлениях, —
добавил Аррениус, — профессор Оствальд вывел очень
простой закон. Он называет его законом разбавления.
При разбавлении раствора какого-нибудь вещества,
например уксусной кислоты, степень
электролитической диссоциации увеличивается.
— Сейчас остается неясным вопрос о влиянии
растворителя на электролитическую диссоциацию,—
сказал Оствальд. — Может быть, — обратился он к
Каблукову, — вы займетесь электропроводностью
растворов, полученных при растворении веществ не в
воде, а в других растворителях? В этой области
Аррениус— крупнейший специалист, поэтому начинайте
работать с ним.
Около года двое ученых работали вместе. В
результате их исследований постепенно оформились
взгляды на процессы диссоциации. Оставалось только
неясным, почему электролиты распадаются на ионы,
В чем причина этого распада? Какие силы действуют
на молекулы растворенного электролита?
Может быть, причины распада электролита на
ноны заключаются в гидратации? Согласно теории
Менделеева, любая молекула в растворе окружает
себя молекулами растворителя. Может быть,
молекулы электролитов так сильно притягивают к себе
молекулы растворителя, что раскалываются на две
части — положительные и отрицательные ионы?
Как просто все, когда догадаешься! Каблуков
быстро встал и направился в библиотеку. Днем
Аррениус работал там. Нужно было немедленно обсудить
новую идею.
Через два года Каблуков с успехом защитил
диссертацию— «Современные теории растворов в связи
-с учениями о химическом равновесии».
81
Вильгельм Оствальд (1853—
1932) — немецкий химик.
Начал заниматься научной
деятельностью в своем родном
городе Риге. Впоследствии
работал в Лейпциге, где основал
Институт физической химии,
ставший вскоре центром
теоретической химии. Оствальд
был блестящим теоретиком*
Особенно важны его
исследования в области химической
кинетики, выявление роли
катализаторов и работа над
проблемами химического
равновесия. Авторитетная
поддержка Оствальда помогла
признанию теории
электролитической диссоциации, его работы
обеспечили дальнейшее
развитие этой теории, а закон
разведения стал одним из
критериев деления электролитов на
сильные и слабые.
Большим вкладом в науку
были многочисленные статьи
Оствальда по истории химии.
Им создан знаменитый цикл
«Великие люди». Он
опубликовал несколько сотен книг под
общим названием «Классики
точных наую>, где были
напечатаны очень многие
считавшиеся классическими
исследования в области математики,
физики и химии.
Оствальд был главой целой
научной школы. Он привлек к
совместной работе ряд
знаменитых химиков, таких как Бо-
денштейн, Фрейндлих, Валь-
ден, Аррениус, Вант-Гофф
и др.
Разрабатывая эту теорию в последующие годы,,
уже в Московском университете, Каблуков полагал,
что существуют два вида электролитов — сильные и
слабые. Слабые электролиты состоят из молекул,
которые распадаются на ионы под действием
растворителя. Теория Аррениуса объясняла все явления в
растворах именно слабых электролитов. Предстояло
разобраться, что же происходит в сильных
электролитах. Их кристаллическая решетка сложена из ионов.
Значит, при растворении сразу образуются гидрати-
рованные ионы. Такой раствор должен состоять
только из ионов. Большое число ионов и является
причиной особых свойств этих электролитов.
Иногда Каблуков обсуждал этот вопрос со своим
82
помощником по лаборатории, в которой исследовал
влияние теплоты на вещества.
— Иван Алексеевич, я принес вам журнал, в
котором кое-что вас очень обрадует.
— Благодарю. Так... Теория сильных
электролитов. Вы уже прочли эту статью?
— Да. Она написана голландским ученым Дебаем.
Главное в его теории — понятие о «ионном облаке».
— Да, да... — Каблуков торопливо скользил
взглядом по строчкам Вот, точно так же думал и я...
Отрицательные ионы окружены положительными, а
положительные — отрицательными, как облаком. Это
облако мешает ионам свободно двигаться в растворе,
отсюда и наблюдаемая на практике «различная
степень электролитической диссоциации». Отлично! Вам
ясна основная идея?
Иван Алексеевич Каблуков
{1857—1942) — русский и
советский физикохимик.
Родился в семье врача. Учился в
Москве. После окончания
Московского университета в
1880 г. остался работать в нем.
Он установил своеобразный
рекорд — 66 лет его научной и
преподавательской
деятельности связаны с Московским
университетом. Как
начинающий ученый, стажировался у
Бутлерова в Петербурге и у
Оствальда и Аррениуса в
Риге и Лейпциге. В 1891 г.
защитил диссертацию —
«Современные теории растворов в
связи с учениями о химическом
равновесии». Этой работой он
положил начало
исследованиям термодинамики растворов в
России. Каблуков защищал
теорию электролитической
диссоциации в то время, когда
эта теория была встречена с
недоверием такими
авторитетами, как Менделеев и
Бекетов. Каблукову принадлежала
идея гидратации ионов,
которая, в сущности, объединяла
физическую (Аррениус и Вант-
Гофф) и химическую
(Менделеев) теорию растворов.
Каблуков первый разработал
важный раздел электрохимии —
элехтрохимию неводных
растворов. Он автор многих книг,
замечательный педагог,
воспитавший целое поколение
советских химиков.
83
— Думаю, что да, — ответил помощник не совсем
уверение.
— Мы считали, что в растворе имеется, скажем,
тысяча катионов и тысяча анионов. Они
взаимодействуют друг с другом, и это мешает их свободному
передвижению. Свойства раствора будут
соответствовать какому-то меньшему числу ионов, например
восьмистам. Это число ионов, меньшее ожидаемого,
Дебай назвал активной концентрацией. Отношение
активной концентрации (восемьсот ионов) к общей
концентрации (тысяча) есть число, которое
называется коэффициентом активности. Коэффициент
активности аналогичен степени электролитической
диссоциации слабых электролитов.
Если мы разбавим раствор, взаимодействие между
ионами ослабнет, они станут свободнее и активная
концентрация увеличится, т. е. свойства раствора
будут соответствовать какому-то большему числу ионов,
например девятистам ионам. Коэффициент
активности теперь увеличится: вместо 0,8 будет 0,9. Только-
при достаточно большом разбавлении будут
проявляться свойства всех содержащихся в растворе ионов.
Тогда коэффициент активности будет единицей. Вот
в этом и заключается особенность сильных
электролитов. В их растворах содержатся только ионы, на
из-за взаимодействия этих ионов между собой они
проявляют себя так, как если бы часть из них
соединилась в молекулы. При разбавлении раствора ионы
становятся свободнее и полнее проявляют свои
свойства. Как будто явно совершается диссоциация? Но
здесь нет диссоциации, потому что нет молекул.
Можно говорить о «кажущейся диссоциации», а степень
этой кажущейся диссоциации характеризуется
коэффициентом активности.
— В статье ничего не говорится о влиянии
молекул растворителя. Каково их участие?
— Почти такое же. Растворитель образует соль-
ваты и с катионами и с анионами.
— Из этого следует, что ионное облако намного
сложнее.
— Конечно. Для упрощения говорят только об
анионном облаке вокруг кагиона и катионном —
вокруг аниона. Если же иметь в виду, что каждый иоа
84
КОЛЛОИДНЫЙ РАСТВОР
КОЛЛОИДНЫЙ РАСТВОР
ОБРАЗУЕТСЯ,
КОГДА ЧАСТИЦЫ
РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА
ИМЕЮТ РАЗМЕР
ОТ 1 ДО 100 НАНОМЕТРОВ
ОБЫЧНЫЙ РАСТВОР
сольватирован, ясно, что оно состоит из ионов и
молекул растворителя.
— Эта статья опередила вашу публикацию, Иван
Алексеевич! Вы ведь тоже изучаете свойства сильных
электролитов
— Для науки не это важно. Наши сведения о
растворах электролитов стали полнее, значит, и выводы
будут точнее!
Любовь к науке, увлеченность преподавательской
работой наполняла Каблукова молодой энергией,
поэтому от любой работы он получал удовольствие.
Труд для него был всем. До конца своей жизни он
был неутомимым и самоотверженным тружеником.
...Может быть, застенчивая капля хотела
продолжить свой рассказ, но в это время в разговор
вступила еще одна капля, которую раньше никто не
замечал. Она была ярко-красного цвета. Новая капля
передвигалась все ближе ко мне. Я обрадовалась,
потому что тоже стала бы красной — ведь ее вещество
должно было диффундировать. Но как странно!
Внезапно красное вещество капельки раздробилось на
множество частиц, капелька стала прозрачной, а
красные частички начали опускаться вниз.
— Что с тобой происходит? — спросила я эту
капельку, пораженная необыкновенным зрелищем.
— Ничего особенного. Мое вещество коагулирует.
Ведь оно было коллоидным раствором.
— А-а, припоминаю. Толстая капля мне
рассказывала, что когда растворенные частицы имеют
размеры от одного нанометра до ста, то образуется
коллоидный раствор.
— Да, это так. Но только эти растворы очень
нестойкие. Когда их открыли впервые, то назвали
псевдорастворами, т. е. ложными, ненастоящими.
— Мне бы хотелось, чтобы ты рассказала о них
побольше. Думаю, ты знаешь все подробности,
— Хорошо. Я РАССКАЖУ ТЕБЕ
О НАЧАЛЕ ОДНОЙ НАУКИ
Поздним осенним вечером в лаборатории
Британского монетного двора работали два человека. Один
из них был заведующий лабораторией Томас Грэм,
86
Томас Грэм (1805—1869)—
английский химик. Родился а
Глазго в семье богатого
торговца. Получил
университетское образование в своем
родном городе. Отец готовил его
в священники. Так как юноша
не выполнил его волю и
стремился посвятить себя химии,
отец *:ишил его содержания и
он жил частными уроками,
перепиской документов и прочим.
В 1830 г., благодаря своему
упорству и выдающимся
способностям, Грэм — уже
профессор химии в Эдинбургском
университете, а потом в
Лондоне. Он является основателем
известного Лондонского
химического общества. Первые его
работы, посвященные
адсорбции газов в твердых
веществах, были опубликованы в
1829 г. В следующие годы он
провел исследование диффузии
газов. Грэм впервые установил
закон зависимости скорости
диффузии газов от
квадратного корня их плотности. Он
а другой — директор Монетного двора Вильям Ро-
тЗертс. Уже 5 лет они работали вместе, и между ними
постепенно возникла тесная дружба. Несмотря на то,
что Томасу Грэму было за 50 лет, выглядел он
гораздо моложе благодаря стройной фигуре, большим
глазам, казавшимся то светло-карими, то зелеными,
и красиво очерченному рту. У Грэма не было семьи,
и он не торопился уходить домой. Жизнь его, всецело
посвященная науке, химии, прошла в лабораториях
и аудиториях Эдинбургского, а затем Лондонского
университета, где он долгие годы был профессором.
Казалось бы, последние годы он перестал
заниматься научными исследованиями — новая должность
отнимала все его время. Однако какие-то новые идеи не
давали ему покоя.
— Меня интересует один серьезный вопрос,
Вильям,— заговорил Грэм. — Это непонятные свойства,
кремниевой кислоты. Вы знаете, что для определения
исследовал и диффузии между
жидкостями. Основные работы
Грэма посвящены коллоидам,
он ввел и сам термин
«коллоид» (от греческого слова «кол-
ла» — клей).
87
количества кремниевой кислоты мы ее отстаиваем и
после прокаливания осадка взвешиваем его. Но
иногда кислота не выпадает в осадок. Она остается в
растворе.
— Это действительно интересно. Я хотел бы
посмотреть на эти растворы, если вы их снова
получите.
— И не только это. Я хочу заняться их изучением.
Надеюсь, не будет возражений, если я проведу свои
опыты здесь?
— О чем вы говорите? Большая честь для нашей
лаборатории, что в ней работает крупнейший ученый
Англии, профессор Томас Грэм, почетный член
Академий наук Парижа, Турина, Амстердама, Берлина,
награжденный многими медалями за свои заслуги
перед наукой Послушайте, Томас, я бы хотел
помогать вам. Подойдет ли такой помощник? Посвятите
меня в тайны этих растворов и знайте, что вы всегда
можете рассчитывать на меня.
— Отлично. Ну так слушайте. Еще 200 лет тому
назад, в 1657 г., Рудольф Глаубер получил пурпурно-
красный раствор золота. Он назвал его «аурум пота-
биле» — «питьевое» золото, потому что давал его
больным как лекарство.
— Но золото не растворяется в воде! Это знают
самые непросвещенные.
— Вот здесь самое интересное. Около 30 лет
назад, в 1830 г., подобные «растворы нерастворимых
веществ» получил Берцелиус. Вы знаете, что
сегодняшними методами анализа мы обязаны ему. Итак,
с помощью сероводорода он осадил из раствора
черный нерастворимый сульфид железа. Он
профильтровал раствор, и осадок остался на фильтровальной
бумаге, а из воронки стала вытекать совершенно
бесцветная жидкость. Берцелиус начал промывать
полученный осадок чистой водой. И каково было его
удивление, когда он заметил, что через некоторое
время из воронки начала капать темно-коричневая
жидкость. «Наверное, бумага прорвалась и осадок
прошел через фильтр», — подумал он, положил в
воронку новую фильтровальную бумагу и снова налил
в нее темно-коричневую жидкость. Жидкость
проходила через фильтр без изменения. Берцелиус оставил
88
этот раствор стоять, а через несколько дней заметил,,
что раствор полностью очистился и на дне сосуда
появилось небольшое количество черного осадка.
Анализ показал, что это сульфид железа.
Итак, при промывании водой некоторых осадков
получается тонкая муть. Берцелиус получил такую*
«тонкую муть» из хлорида серебра, берлинской
лазури, сульфида аммония, кремниевой кислоты и др.
— Что вы намерены узнать, изучая кремниевую
кислоту?
— Дело в том, что ничего еще не ясно. Как
образуется эта муть? Какими свойствами она обладает?
Недаром итальянец Франческо Сельми назвал эту
муть «псевдораствором», или ложным раствором,—
продолжал Грэм.
— Почему?
— Потому, что на первый взгляд она похожа на
раствор. Она прозрачна, свободно проходит через
фильтр, но неустойчива. Сельми установил, что если
в такой раствор прибавить какую-нибудь соль или
кислоту, то он разрушится и на дно осядет вещество,
находившееся до этого в растворе. Ничего такого с
истинным раствором случиться не может.
— Так вы говорите, многие вещества обладают
свойством образовывать такие растворы?
— Да, многие, — сказал задумчиво Грэм. —
Недавно я был у Фарадея. Его тоже интересует этот вопрос.
Оа показал мне, как получаются «растворы» золота,
серебра, платины и других металлов. Он тоже
считает, что это тонкая муть, потому что после
отстаивания на дне сосуда собирается очень тонкий порошок
соответствующего металла.
— Может быть, Фарадей прав. Да и Берцелиус,
ведь, был такого же мнения, — сказал Роберте.
— А может быть, неправ. В некоторых случаях
муть полностью осядет, если ее оставить в спокойном
состоянии на один-два дня. Но у меня есть растворы
кремниевой кислоты, которые стоят уже месяц и все
еще не отстоялись. Вот, посмотрите!
Грэм подошел к большому шкафу, достал
несколько склянок и поднес их к свече. Растворы были
прозрачными. Он наклонил одну из склянок, чтобы
удостовериться, что на дне действительно нет осадка.
89*
Какая неожиданность! Раствор был неподвижен.
Он превратился в прозрачную желеобразную массу.
— И это раствор кремниевой кислоты? — произнес
удивленный Роберте.
— Да! Посмотрите, какое желе получилось! Как
будто я сварил крахмал и оставил его остывать.
Постойте-постойте! Крахмал... По-гречески крахмал
называется «колла», т. е. клей. Не следует ли назвать
эти растворы коллоидными? Это будет указывать на
то, что они похожи на раствор крахмала.
Роберте медленно повторил:
— Коллоидные растворы. Неплохой термин!
Этот осенний вечер 1860 г. запомнился Грэму.
Именно тогда он пришел к убеждению, что
существуют два вида растворов — истинные и коллоидные.
Но что представляют собой коллоидные растворы?
Каковы их свойства?
Грэм знал, что они неустойчивы и растворенное
вещество может легко выделяться в виде осадка. Этот
процесс был назван коагуляцией. Исследования
Грэма показали, что коагуляция вызывается не только
добавлением в раствор солей, кислот или оснований,
но и повышением температуры, продолжительным
перемешиванием или иногда просто длительным
отстаиванием.
Полученный осадок — коагулят — Грэм отделял от
жидкости путем фильтрования. Когда он промывал
осадок, то заметил еще одно свойство коллоидов.
Осадок при промывании начинал снова растворяться,
переходя в коллоидный раствор. Это явление
называется пептизацией. Интересно, что не всякий
коагулят переходит в раствор, т. е. пептизируется. Когда
Грэм проводил коагуляцию коллоидных растворов
золота, серебра или какого-нибудь другого металла,
полученный желеобразный коагулят не мог вторично
перейти в раствор даже при продолжительном
промывании. Это необратимые коллоиды. Те коллоиды,
которые легко пептизируются, Грэм назвал
обратимыми. Они могут многократно коагулировать и снова
пептизироваться.
— Самая важная отличительная черта
коллоидных растворов, — сказал Грэм, — это их способность
коагулировать. Если мы оставим в открытом сосуде
90
раствор поваренной соли, вода постепенно испарится-
и соль кристаллизуется.
— Кристаллизуются и растворы сульфата меди,,
нитрата калия... Перечислять можно целый день,—
сказал Роберте.
— Да, можно, — ответил Грэм. — Но почему не
кристаллизуется раствор кремниевой кислоты? Я уже
провел столько опытов, но все напрасно. Коллоидный
раствор не может кристаллизоваться, он
коагулирует.
Одна мысль все чаще приходила Грэму —
существует два вида веществ: одни могут образовывать
коллоидные растворы — он назвал их коллоидами;
другие образуют только обыкновенные растворы —
они получили название кристаллоидов.
Несколько лет спустя русский ботаник и химик
Илья Григорьевич Борщов высказал мысль, что нет
кристаллоидов и коллоидов, а есть только коллоидное
или кристаллическое состояние веществ. Любое
вещество может находиться в коллоидном или
кристаллическом состоянии. Это зависит от условий, в
которых образуется раствор.
Сейчас предположение Борщова полностью под-
твердилось. Так, например, металлы имеют
кристаллическое строение, но при подходящих условиях, при
тонком измельчении из них может быть получен
коллоидный раствор. Хлорид натрия образует
обыкновенный раствор при растворении в воде, но если соль
растереть в тонкий порошок и развести в бензоле, то
получится коллоидный раствор. Даже такое типично
«коллоидное» вещество, как белок, может
кристаллизоваться, если для этого создать специальные
условия. Коллоидное и кристаллическое состояние — это
формы существования веществ.
Грэм установил, что коллоидные растворы могут
образовываться не только в воде, но и в других
растворителях— в спирте, в глицерине и т. д. В отличие
от желеобразной массы жидкий коллоидный раствор
он назвал золем. Если растворителем служит вода,
то коллоидный раствор называют гидрозолем, а если
спирт, то спиртовым золем, алкозолем. Часто при
отстаивании или при попытке их коагулирования
91
растворы превращаются в желеобразную массу,
которую Грэм назвал гелем.
Постепенно Грэм расширял свои познания об этик
растворах, и теперь он мог по желанию получать
гидрозоль или гидрогель, алкозоль или алкогель
данного вещества.
Больший период своей исследовательской
деятельности Грэм посвятил изучению диффузии жидкостей
и газов. Диффундируют ли также коллоидные
растворы? Нужно было изучить и это. Опыты были
проведены Грэмом с большим мастерством и дали очень
интересные результаты. Коллоидные растворы
действительно диффундируют, но очень медленно.
— Особенность диффузии в коллоидных
растворах состоит не только в том, что она проходит очень
медленно. В коллоидных растворах диффузия
возможна только в том случае, если они вступают в
контакт с чистым растворителем.
— Разве нет других способов? — спросил
Роберте.
— Поваренная соль может диффундировать очень
хорошо и в полусвязанной воде, — сказал Грэм.
— Что-то не понимаю...
— Вы же знаете, что коллоидные растворы
образуют желе, гель. Что представляет собой гель? По-
моему, в геле коллоидные частицы и молекулы
растворителя— воды — связаны между собой. Но связь
между ними очень слаба. Это подтверждает тот факт,
что при отстаивании гель может внезапно свернуться
и частично отделиться от воды. Эта полужидкая,
мягкая масса может постепенно высыхать именно
потому, что вода в ней очень слабо связана, или здесь
имеется, так сказать, полусвязанная вода. Но
вернемся к вопросу о диффузии. Если мы приведем
раствор поваренной соли в контакт с гелем, то частицы
соли будут продолжать диффундировать в гель, хотя
и с меньшей скоростью. Но если мы проведем этот
опыт с коллоидным раствором, диффузии не будет
вообще. То же самое наблюдается, когда путь
коллоидным частицам преграждает оболочка живой
клетки. Частицы поваренной соли могут проходить
через оболочку клетки, а коллоидные частицы — не
могут.
92
Это свойство коллоидных растворов Грэм
использовал для получения чистого коллоидного раствора.
Он установил, что если в раствор хлорного железа
прибавить насыщенный раствор карбоната аммония,
цвет раствора изменится от светло-желтого до темно-
коричневого. В этом случае образуется гидрозоль
гидроокиси железа. Но в растворе остаются и другие
продукты реакции, например хлорид аммония. Он
находится в состоянии истинного раствора. Чтобы
отделить хлорид аммония от золя гидроокиси железа,
Грэм поступил так. Он сделал небольшую тарелочку
из бычьего пузыря, налил в нее темно-коричневый
раствор и осторожно установил ее на поверхности
воды, налитой в большую ванну Тарелочка
покачивалась на поверхности воды, как маленькая лодочка.
Теперь хлорид аммония проходил через пленку в
воду, а гидроокись железа оставалась в тарелочке.
Нужно было только менять воду в ванне, чтобы
достичь более полной очистки. Диффузионные процессы
«дут очень медленно. Но через неделю в тарелочке
был уже совершенно чистый коллоидный раствор.
— Видите, Вильям, мы добились того, чего
хотели, получили чистый коллоидный раствор, — сказал
Грэм. — Благодаря особым свойствам коллоидных
частиц они не могут пройти через оболочку клетки, и
это дает возможность разделить первоначальный
раствор— в тарелке остается коллоидный раствор, а в
воде обыкновенный. Поскольку первоначальный
раствор разделился на два, я предлагаю этот процесс
назвать диализом — разделением на два. Ведь по-
гречески «диа» означает два, а «лизис» — это
деление.
Так Грэм дал название открытому им методу
очистки коллоидных растворов.
Используя диализ, Грэм впервые получил
очищенные коллоидные растворы многих органических и
неорганических веществ. Он пытался изучать и
осмотическое давление этих растворов, но не смог
установить никакой закономерности. Осмотическое давление
коллоидных растворов было очень низким, и его
трудно было измерить.
Исследования Грэма легли в основу новой науки —
коллоидной химии.
93
СВЕТ ВМЕШИВАЕТСЯ В ИЗУЧЕНИЕ
КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ
На одном из заседаний Лондонского химического
общества в 1867 г. к Грэму подошел Джон Тиндаль*
Он сразу заговорил о волновавшем его вопросе.
— Я с некоторых пор изучаю рассеяние света при
прохождении через мутные растворы. Коллоидные
растворы, с которыми вы работаете, тоже меня очень
заинтересовали. И я буду просить у вас каких-либо
практических указаний о получении чистых
коллоидных растворов.
— С радостью, профессор Тиндаль. Приходите
утром в мою лабораторию.
Скоро Тиндаль имел в своем распоряжении
очищенные путем диализа коллоидные растворы. Теперь
он мог начинать свои опыты.
Истинные растворы пропускают свет без
изменения. Они представляют собой, как говорят,
«оптическую пустоту». Как будут относиться к свету
коллоидные растворы?
Тиндаль наполнил стеклянную ванну коричневым
раствором золя гидроокиси железа. Раствор был со-
Джон Тиндаль (1820—1893)
— английский физик. В 1844 г.
закончил университет в Прин-
стоне, продолжал свое
образование в Германии. С 1853 г.—
профессор Королевского
института в Лондоне. Интересы
его были разносторонни
—Тиндаль исследовал явления
диамагнетизма, поглощения
тепловых лучей газами, изучал
строение и движение ледников
в Альпах. Он успешно
занимался популяризацией науки,
прославился как блестящий
лектор и экспериментатор.
Изучение рассеивания света в
мутной среде привело его к
открытию, известному в науке под
названием «эффект Тиндаля».
Тиндаль был ближайшим
сотрудником Фарадея и написал
о нем книгу «Фарадей как
исследователь».
94
Одно из характерных
оптических свойств коллоидных
растворов — рассеивание света
коллоидными частицами.
«Эффект Тиндаля» заключается в
появлении светящегося конуса
при прохождении пучка
световых лучей через жидкую или
газообразную среду, в которой
находятся частички другого,
более плотного вещества с
размерами коллоидных частиц.
Это явление впервые
наблюдал Фарадей в 1857 г. в
коллоидном растворе золота, а
подробно описал Тиндаль в 1868 г.
В правой пробирке имеется
коллоидный раствор. В нем
вершенно прозрачным и не отличался по цвету от
раствора бихромата калия, например. Плотным
экраном Тиндаль прикрыл лампу. Только тонкий пучок
лучей пробивался через небольшое отверстие в центре
экрана. Профессор направил эти лучи на ванну с
коллоидным раствором. Теперь нужно было измерить
интенсивность прохождения света.
Чтобы избежать влияния бокового освещения, все
стенки ванны, за исключением двух противоположных,
через которые входил и выходил свет, были плотно
закрыты. Тиндаль приготовил экран, на который
нужно было проецировать проходящий через раствор
пучок лучей, и начал опыт. Однако вместо ожидаемого
четко ограниченного пятна на экране появился
размытый, неясно очерченный светлый круг.
— Может быть, я плохо наладил отверстие для
света?
Тиндаль проверил источник света. Все было в
порядке.
— Тогда, наверное, стенки ванны загрязнены?
Он отодвинул чехол, закрывавший ванну.
Тиндаль был поражен. Прошло несколько минут, а он все
не мог оторваться от этой красоты. Как будто в ванну
было погружено какое-то тело, излучающее свет.
Лучи входили в раствор, образуя круг небольшого
диаметра, который постепенно увеличивался к
противоположной стенке ванны, образуя светящийся конус.
наблюдается светящийся конус
рассеянного света — «эффект
Тиндаля». В левой пробирке
с обыкновенным раствором
конуса не наблюдается.
95
Джон Вильям Рэлей (1842—
1919) — английский физик. От
отца унаследовал титул лорда.
Образование получил в
Кембридже. В 1879 г. назначен
профессором экспериментальной
физики, а позже —
натурфилософии. С 1833 г. член
Королевского химического общества,
а с 1905 г. — его президент.
Исследуя азот воздуха, Рэлей
вместе с Рамзаем открыли
неизвестный до этого газ
аргон, за что они получили
Нобелевскую премию.
— Свет рассеивается!
Профессор Тиндаль начал рассуждать.
— Чтобы световой луч мог отклониться, он
должен встретить на своем пути частицы, размер
которых— порядка длины его волн. Можно ли, исходя из
этого опыта, сделать вывод, что коллоидные растворы
имеют сравнительно большие частицы, хотя и меньше
тех, которые мы видим простым глазом? И другой
вопрос: образуется ли такой же конус и в других
коллоидных растворах?
Началась напряженная работа. Тиндаль получал
различные коллоидные растворы и изучал их
оптические свойства. Результаты опытов подтвердили его
первоначальные наблюдения. Попадая в коллоидный
раствор, пучок лучей рассеивался, образуя светящийся
конус.
Вскоре ученые стали называть это явление
«эффектом Тиндаля», а светящийся конус — «конусом
Тиндаля».
Цвет коллоидного раствора может меняться в
зависимости от того, с какой стороны на него смотреть.
Если сосуд с раствором расположен между
наблюдателем и источником света и лучи проходят через
раствор, его цвет будет казаться чаще всего
желто-красным. А если наблюдатель находится между
источником света и раствором и видит отраженный свет, то
цвет раствора он воспримет как синевато-зеленый.
Почему коллоидные растворы меняют свой цвет?
Нелегко было ответить на этот вопрос. Первый
шаг сделал один из выдающихся физиков Англии
96
ЦВЕТ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА
ЗАВИСИТ ОТ ТОГО,
ОТКУДА ЕГО НАБЛЮДАЮТ
БЕЛЫЙ СВЕТ
4 За к. 520
ПРИ ВОСХОДЕ И ЗАКАТЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЛУЧИ ПРОХОДЯТ
ЧЕРЕЗ БОЛЕЕ ТОЛСТЫЙ СЛОЙ ВОЗДУХА И РАССЕИВАЮТСЯ СИЛЬНЕЕ.
В ЭТО ВРЕМЯ ДОСТИГАЮТ ЗЕМЛИ ГЛАВНЫМ ОБ-
РАЗОМ КРАСНЫЕ ЛУЧИ, ИМЕЮЩИЕ БОЛЬШУЮ ДЛИНУ
ВОЛНЫ, И СОЛНЦЕ КАЖЕТСЯ НАМ КРАСНЫМ
Джон Вильям Рэлей в 1899 г. Его теоретические
исследования помогли найти объяснение двойному
цвету коллоидных растворов. Рэлей вывел формулу,
которая представляла собой закон рассеивания света.
Белый свет; как известно, состоит из лучей разной
длины волны: от синих — с наименьшей длиной волн,
до красных — с наибольшей длиной. Когда сложный
световой луч встречается с маленькой коллоидной
частицей, красные лучи не изменяются, а продолжают
свой путь, потому что длина их волн намного больше
размеров частицы. А для синих лучей эта же частица
является непреодолимым препятствием, потому что ее
размеры больше длины волн синих лучей. Поэтому
синие лучи отражаются от коллоидных частиц. Это
приводит к обогащению проходящего через раствор
света красными лучами и к отражению синих лучей.
Такое же явление наблюдается и на небе.
Солнечный свет — белый, но когда он проходит через
атмосферу, часть его лучей рассеивается. Особенно
сильно рассеиваются синие лучи из-за меньшей длины
волн. До наших глаз доходят рассеянные синие лучи
со всех сторон небосвода, и поэтому небо нам кажется
синим. Красные, оранжевые и желтые лучи проходят
через атмосферу, и солнце кажется нам желтым.
Утром или вечером, когда солнце находится у
горизонта и солнечные лучи проходят через более толстый
слой воздуха, рассеяние становится большим.
Рассеиваются не только синие лучи, но и те, которые имеют
большую длину волн, а проходят главным образом
красные лучи. Поэтому солнце нам кажется
оранжево-красным. Когда в атмосфере туман или пыль,
рассеяние лучей становится еще больше и до нас
доходят только красные лучи. В таких случаях
наблюдаются красивые огненно-красные закаты и восходы
солнца.
РАСКРЫВАЮТСЯ НЕКОТОРЫЕ ЗАГАДКИ
КОЛЛОИДОВ
Теория Рэлея и оптические свойства коллоидных
растворов очень заинтересовали двух ученых из Вены.
Рихард Зигмонди решил установить, каким путем
проще всего получить коллоидный раствор. Для
4*
99
этого ему нужно было систематизировать методы их
получения.
О коллоидах знали уже очень много. Знали, что
коллоидные частицы больше ионов и молекул
истинных растворов, но меньше частиц грубой мути,
непрозрачной суспензии.
— Тогда ясно, что должно быть два пути
достижения коллоидных размеров — конденсирование
молекул растворенного вещества из обыкновенного
раствора и диспергирование твердого вещества, — сказал
Зигмонди своему другу и сотруднику Зидентопфу.
— Да, конечно. Конденсация молекул, пожалуй,—
самый распространенный способ, — ответил Зиден-
топф. — Грэм получал коллоидные растворы именно
этим путем. Если к сильно разбавленному раствору
иодида калия прибавлять так же сильно
разбавленный раствор нитрата серебра, получится коллоидный
раствор иодида серебра. При смешении двух
растворов ионы серебра соединятся с ионами иода и
образуют нерастворимый иодид серебра. Ничтожно
малые его частички слипаются в более крупные
агрегаты, размеры которых отвечают коллоидному
состоянию.
— Но здесь возникает много новых вопросов.
Возьмем, например, результаты русского
исследователя Александра Павловича Сабанеева. Он пытался
определить «молекулярный вес» коллоидных частиц
путем криоскопии.
— Да, сейчас криоскопия в моде, но то, что
получил Сабанеев, не молекулярный вес, а среднемолеку-
лярный вес одной коллоидной частицы.
— Такие значения молекулярного веса, как
10 000—20 000, поражают. Это означает, что каждая
частица состоит из тысячи атомов. А почему она не
становится еще больше? Почему ее рост
останавливается на определенных размерах?
— Ответ можно найти, но удовлетворит ли он
полностью?
— Действительно, при конденсации молекулы или
ионы начинают скапливаться в одном месте, образуя
одну небольшую частицу, которая постепенно растет.
Но наступает момент, когда частица перестает расти.
Она переходит в состояние золя. Почему?
100
КОАГУЛИРОВАННЫЕ КОЛЛОИДНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Александр Павлович Саба-
неез (1843—1923) — русский
химик. Образование получил
Рихард Зигмонди (1SG5—
1929)—австрийский химик.
Директор и профессор Института
неорганической химии при Гет-
тингенском университете. С
1893 г. занимался изучением
коллоидных расгзоров
—разработал методы их получения и
очистки, предложил
оригинальную классификацию
коллоидных растворов. В 1903 г.
вместе со своим
соотечественником Р. Зидснтопфом изобрел
ультрамикроскоп, с помощью
которого можно было
исследовать коллоидные растворы.
102
в Московском университете^
где затем и работал в качестве
профессора физической и
неорганической химии. Широко'
известны его работы по
изомерии в неорганических
соединениях. Своими
исследованиями в 80-х годах прошлого
века он показал, что и золи,
подобно истинным растворам,,
понижают температуру
замерзания чистого растворителя
прямо пропорционально
концентрации вещества,
образующего коллоидный раствор.
Таким образом, было
опровергнуто мнение Грэма, согласна
которому между истинным
раствором и коллоидным
имеются качественные различия.
Сабанеев впервые стал
рассматривать истинные и коллоидные
растворы в динамическом
единстве, доказав, что различия
между ними определяются
только величиной
диспергированных частиц.
— Эти мелкие частицы имеют огромную
поверхность. На ней адсорбируются различные ионы из
раствора. Когда адсорбция достигнет определенного
предела, рост частиц прекращается.
— Адсорбцией обусловлен и одинаковый
электрический заряд коллоидных частиц. Это особенно
хорошо заметно, если пропускать электрический ток
через какой-нибудь коллоидный раствор. Все
коллоидные частицы направляются к одному электроду,
имеющему противоположный заряд. Достигнув
электрода, они нейтрализуются и оседают на дно, т. е.
коагулируют. Происходит процесс электрофореза.
— Электрофорез очень напоминает электролиз, но
все-таки это не электролиз.
— При электролизе образование вещества
наблюдается на обоих электродах. Так как все
коллоидные частицы одного раствора имеют одинаковый
заряд, они все направляются или к катоду, или к
аноду.
Работа Зигмонди и Зидентопфа становилась все
глубже и интересней. Они подробно изучили вопрос
об образовании коллоидных растворов. Выяснилось,
что если какое-нибудь вещество смолоть в тонкий
порошок на специальной «коллоидной мельнице» и
положить в жидкость, которая не может образовать с
данным веществом истинный раствор, то получится
коллоидный раствор.
Теперь Зидентопф и Зигмонди могли выбирать
наиболее удобный метод получения коллоидного
раствора, могли комбинировать методы...
Поведение коллоидных частиц по отношению к
молекулам растворителя оказалось очень различным.
Получились коллоидные растворы, которые
отличались очень большой устойчивостью. Чаще всего они
представляли собой густую вязкую жидкость.
Коагуляция таких растворов осуществлялась с большим
трудом. Изучив их свойства, ученые пришли к
выводу, что каждая коллоидная частица в них окружена
толстой оболочкой, состоящей из молекул
растворителя. Вещества, которые могут образовывать такие
растворы, они назвали лиофильными коллоидами.
«Лио» по-гречески означает жидкость, а «филео» —
любовь, другими словами, это коллоиды, с большой
103
симпатией относящиеся к молекулам растворителя,—
сказал Зигмонди.
— А если растворителем является вода, то такой
коллоид назовем гидрофильным, — добавил Зиден-
топф.
— В таком случае, — продолжил Зигмонди,—
остальные коллоидные растворы, нейтральные, нужно-
назвать лиофобными или, если растворитель — вода,
гидрофобными, потому что «фобос» по-гречески
означает страх. Вязкость гидрофобных коллоидов почти
такая же, как у растворителя. Они легко
коагулируют и не могут образовывать студенистую гелевую
массу.
Однажды ученые сидели в полумраке кабинета,
окутанные папиросным дымом. Удобно устроившись
в кресле, Зигмонди продолжал разговор, вглядываясь
во что-то перед собой. На улице ярко светило солнце,
но сюда оно проникало только через одну створку
окна. Солнечные лучи, как длинные белые копья,
пронизывали всю лабораторию и вонзались в пол,
оставляя на нем несколько светлых пятен. Взгляд
Зигмонди скользил вдоль тонкой нити луча. В луче
кружились в каком-то безумном танце, поднимаясь и
падая вниз, тысячи мелких пылинок. Неожиданно
Зигмонди замолчал. Зидентопф тоже посмотрел туда,
куда уставился взглядом его друг, но с его места
ничего не было видно. Для него путь солнечного луча
был невидим.
— Вот это открытие! — взволнованно сказал
Зигмонди. — Посмотри сюда!
— Абсолютно ничего интересного не вижу! —
ответил Зидентопф.
Зигмонди встал рядом с Зидентопфом и снова стал
вглядываться в воздух.
— Да. Ты прав. Ничего не видно... Нет, тут что-то
не так.
Он снова вернулся на свое место.
— Вот отсюда посмотри!
Зидентопф увидел путь солнечных лучей, но все^
еще не мог ничего понять.
— Ты видишь пылинки?
— Конечно.
104
СИЛЬНЫЙ СВЕТ
РАССЕИВАЕТСЯ
КОЛЛОИДНЫМИ
ЧАСТИЦАМИ,
И ОНИ КАЖУТСЯ
СВЕТЯЩИМИСЯ
ТОЧКАМИ
— Да, но мы не думали о причинах этого.
Пылинки видны только тогда, когда они освещены
сбоку,— почти закричал Зигмонди.
— Понял, — сказал Зидентопф. — Ты хочешь
увидеть и коллоидные частицы?
Они воодушевились. Они решили посмотреть под
обыкновенным микроскопом коллоидный раствор, но
осветить его не снизу, как обычно, а сбоку. Сильный
свет будет рассеиваться от мелких частиц, и они
станут видны точно так, как видны нам в лучах света
пылинки, находящиеся в воздухе. Так в 1903 году
был создан первый ультрамикроскоп.
Идея была проста. Исполнение — легкое.
Результаты— поразительны: они впервые увидели
коллоидные частицы, точнее, не сами частицы, а рассеянный
ими свет. Именно поэтому каждая частица выглядела
маленькой светящейся точкой. В зрительном поле
микроскопа видны были десятки частиц, которые
непрерывно двигались в разные стороны, как муравьи,
исполняющие воинственный та-нец на своем
муравейнике.
Это хаотичное движение частиц было уже
известно под названием «броуновского движения».
В 1827 году английский ботаник Роберт Броун
наблюдал под микроскопом суспензию цветочной
пыльцы в воде. Он был поражен, когда установил, что
микроскопические пылинки ни минуты не могут
оставаться на одном месте — они непрерывно двигались.
Теперь то же самое явление наблюдалось и в
коллоидных растворах.
— Почему коллоидные частицы непрерывно
движутся? В чем причина броуновского движения?
Предположение о действии каких-либо направляющих сил
почти исключено. Кажется, здесь имеет значение
величина частиц. Те, что побольше, двигаются
медленнее. Насколько меньше частицы, настолько быстрее
они движутся и тем больше их средний путь.
Зигмонди напряженно думал. «Может быть,
частицы обладают собственной энергией? Нет... Это
невозможно. Они слишком велики, и нужно иметь в
виду, что если они обладают собственной энергией,
то должно наблюдаться и столкновение частиц. При
броуновском движении совсем другое дело. Частицы
106
Работа ультрамикроскопа
основана главным образом на
свойстве коллоидных частиц
рассеивать падающий на их
поверхность свет.
Ультрамикроскоп существенно отличается
от обыкновенного микроскопа
ло способу освещения
наблюдаемого объекта — коллоидная
среда подвергается боковому
освещению, рассеянный
частицами свет воспринимается как
темный фон. Не видя самих
частиц, мы наблюдаем их
движение по световым сигналам,
которые они посылают
наблюдателю. В ультрамикроскопе
нельзя определять форму и
размеры частиц, но сколько их
в единице объема, сосчитать
можно. Таким образом можно
определить среднюю массу
частиц, если известна
концентрация дисперсной фазы.
На рисунке—одна из первых
конструкций ультрамикроскопа
Зидентопфа и Зигмонди.
Медленное диффундирование
в пробирке органического
вещества, находящегося в слое над
водой.
107
4
Агрегат коллоидных частиц-
золота под электронным
микроскопом.
*&L
сами, без видимых столкновений, танцуют то налево,
то направо, то вверх, то вниз... Точно так хаотично
двигаются и молекулы...
— Молекулы! В молекулах нужно искать
причину, в молекулах растворителя.
Согласно кинетической теории, молекулы
находятся в непрерывном движении. Одна коллоидная
частица каждую секунду испытывает тысячи ударов со
Мариан Смолуховский (1872—
1917) — польский физик.
Высшее образование получил в
Вене, специализировался в
Париже, Глазго, Берлине. С
1900 г.—профессор
теоретической физики и ректор
Львовского, а позже Краковского
университета. Исследовал
тепловое излучение и
теплопроводность газов. Внес
существенный вклад в кинетическую
теорию материи, развив
статистические идеи Больцмана.
В 1906 г. Смолуховский,
независимо от Эйнштейна,
предложил количественную теорию
броуновского движения,
объясняя его тепловым движением
молекул. Кроме того, он
провел теоретические
исследования эмульсий и работал над
теорией коагуляции.
108
стороны молекул растворителя. Эти удары никогда
не бывают совершенно одинаковы. В результате этого
молекулы растворителя толкают большую
коллоидную частицу то в одну, то в другую сторону, никогда
не давая ей покоя.
Это были самые первые правильные представления
об этом явлении. Стройная теория броуновского
движения была создана в 1905—1906 годах независимо
друг от друга Альбертом Эйнштейном и Марианом
Смолуховским, а французский ученый Жан Перен
подтвердил ее опытным путем. Он приготовил
коллоидный раствор смолы гумигут и наблюдал в
ультрамикроскоп движение одной коллоидной частицы.
Через каждые 30 секунд Перен отмечал положение
частицы. Таким образом он смог вычертить ее путь —
причудливо изломанную линию.
В это время Зигмонди уже был профессором
химии в Геттингенском университете. Но и здесь он
продолжал изучение коллоидных растворов.
Коллоидные растворы имеют большое значение в
жизни людей, но нестойкость ограничивала
возможность их использования. Это относилось главным
образом к лиофобным коллоидам. Зигмонди установил:
если лиофобный коллоид смешать с раствором лио-
фильного коллоида, то он станет более стойким. Это
явление было названо коллоидной защитой.
Раскрылись новые возможности использования стойких лио-
фобных коллоидов, особенно в фотографировании, где
нужны стойкие коллоидные растворы хлорида,
бромида серебра и др.
Чтобы получилось хорошее изображение, на
кинопленку нужно нанести тонкий равномерный слой
нерастворимого в воде галогенида серебра. При этом
большое значение имеет и величина частиц — они
должны быть одинаковыми. Так как галогенид
серебра оседает в водном растворе, то за несколько
минут собирается множество частиц, которые образуют
суспензию. Такая суспензия очень быстро оседает и
нанести ее на кинопленку невозможно. Создать
прочный коллоидный раствор с одинаковым размером
частиц помогает коллоидная защита. Галогенид
серебра получают не в водном растворе, а в
растворе желатины, которая представляет собой очень
109
устойчивый гидрофильный золь. Это позволило
повысить качество и увеличить чувствительность
кинопленки.
Устойчивый золь коллоидного золота используется
в медицине.
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ СИЛЫ ПОМОГАЮТ
ПОЛУЧАТЬ КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
Уже первые исследования Антона Владимировича
Думанского в Киевском политехническом институте
были посвящены коллоидному состоянию вещества.
«Раз коллоидные частицы в сотни и тысячи раз
тяжелее молекулы обыкновенного вещества, как это
доказал Александр Павлович Сабанеев, они должны
выделяться из раствора путем фильтрования. Но
обычный фильтр не годится для этой цели. Его поры
слишком велики. Нужно подобрать другой материал».
Думанский часто задумывался над этим. Какой
фильтр использовать? Ответ на этот вопрос пришел
неожиданно, но он не был случайностью. Может быть,
сотни раз молодой ученый перебирал в уме все
свойства коллоидных растворов. Он пытался соединить
все известное о них в одну систему. И вот однажды
у него мелькнула мысль: диализ! Чем это не похоже
на фильтрование? Ионы солей проходят через
оболочку клеток, а коллоидные частицы — не могут.
Значит, коллоидные растворы нужно фильтровать через
фильтр, сделанный из пленок животных или из
какого-нибудь похожего материала. Таким путем можно
будет отделить коллоидные частицы и доказать их
значительные размеры.
Новая идея всецело захватила молодого ученого.
Потянулись дни бесконечных опытов, дни надежд и
разочарований. Наконец, Думанскому удалось при-
Антон Владимирович
Думанский (род. в 1880
г.)—советский химик, один из
основоположников коллоидной химии
в России. В 1903 г. окончил
Киевский политехнический
институт. В 1913 г. организовал
в Воронеже лабораторию
коллоидной химии, которая позже
переросла во Всесоюзный
научно-исследовательский
институт коллоидной химии. С
1946 г. — директор Института
общей и неорганической химии
Академии наук Украины.
А. В. Думанский предложил
ряд физических методов
исследования коллоидных растворов.
110
Теодор Сведберг (род. в
1884 г.)— шведский физикохи-
мик, профессор университета
в Упсала. Первые его
исследования были посвящены
получению коллоидных систем
(гидрозолей металлов) с
помощью распыления
электрической искрой. Он определил
коэффициент диффузии в
коллоидных растворах и
исследовал их оптические свойства.
В 1922 г. усовершенствовал
ультрацентрифугу и
использовал ее для анализа
высокодисперсных золей. Сведберг
сфотографировал путь
коллоидных частиц через
ультрамикроскоп и дал блестящие
подтверждения теории Смолуховского
и Эйнштейна о броуновском
движении.
готовить тонкие пленки из коллодия. Их поры были
так малы, что через них проходили молекулы воды, а
коллоидные частицы оставались на пленке. Этот
процесс был назван ультрафильтрованием, а коллодие-
вые пленки — ультрафильтрами.
Коллоидными растворами занимался шведский
ученый Теодор Сведберг. Он изобрел способ, как
получать гидрозоли металлов путем распыления
последних с помощью электрического разряда.
Одновременно с этим он исследовал светопоглощеиие различных
золей. Интересовала его и диффузия гидрозолей.
«Зидентопф и Зигмонди видели коллоидные
частицы. А нельзя ли увидеть, например, и коагуля-
ционные процессы? Если объектив ультрамикроскопа
направить на электрод, то, вероятно, можно
непосредственно наблюдать процесс электрофореза».
Может быть, само предметное стекло будет играть
роль электрода? Всякая новая идея была началом
новых опытов. Всякие опыты давали новые
результаты. Сведберг сумел наблюдать электрофорез.
Одинаковый электрический заряд коллоидных
частиц мешает им соединяться в более крупные и
тяжелые группировки. Это одна из причин
устойчивости коллоидного раствора. Когда через коллоидный
111
раствор пропускают электрический ток, частицы
притягиваются к одному из электродов и нейтрализуются
на его поверхности. Вместе с этим уничтожается и
сила, которая мешала им сблизиться друг с другом,
и они легко слипаются в более крупные агрегаты.
Раствор коагулирует.
При этих исследованиях Сведберг заметил, что
коллоидные частицы даже одного и того же раствора
имеют разные размеры. Это навело его на новое
предположение.
«Десять-пятнадцать лет назад Думанский
использовал ультрацентрифугу для отделения растворенного
коллоидного вещества от растворителя. Скорость
осаждения в центробежном поле зависит от величины
частицы и от ее веса. Нельзя ли с помощью
ультрацентрифугирования определить вес коллоидных
частиц? Многие ученые говорят о «молекулярном весе»
коллоидных частиц. Это не совсем правильно, но так
как частицы в растворе движутся самостоятельно,
вроде молекул какой-нибудь жидкости, то можно
принять это как условное выражение».
Начался самый интересный период в
исследованиях Сведберга. Он смонтировал в лаборатории
специальную ультрацентрифугу. Скорость ее вращения
была фантастической — миллион оборотов в минуту.
С такой центрифугой можно было осаждать самые
тонкие золи.
Результаты опытов и сложные вычисления
показали, что частицы одного золя имеют разный вес —
от очень маленького (близкого к молекулярному) до
очень большого (в несколько тысяч раз больше веса
обыкновенной молекулы).
Лаборатория Сведберга в Упсала стала научным
центром, который привлекал многих молодых
исследователей, стремившихся усовершенствовать свои
знания и познакомиться с методами работы крупного
ученого.
Таким же центром была и лаборатория
коллоидной химии в Воронеже, организованная в 1913 г. Ду-
манским. Здесь тоже продолжалось усиленное
изучение коллоидных растворов.
Наука о коллоидном состоянии веществ
непрерывно обогащалась все новыми и новыми открытиями.
112
Прояснились представления о строении коллоидных
частиц. Частицы коллоидного раствора называются
мицеллами — от латинского слова, означающего
«очень маленькая». Они состоят из ядра, окруженного
большим числом адсорбированных ионов и молекул.
Ядро является очень маленькой частицей, состоящей
из нескольких тысяч атомов или молекул, и обычно
представляет собой ультрамикроскопический
кристаллик. Поверхность его обладает сильными
адсорбционными свойствами, поэтому все ядро окружено
слоем адсорбированных ионов. Эти ионы
обуславливают электрический заряд коллоидной частицы. Но
в коллоидном растворе есть и другие ионы, которые
притягиваются к адсорбированным ионам и образуют
вокруг них второй, подвижный и неустойчивый слой.
Заряды ионов второго слоя обратны заряду
адсорбционного слоя. Таким образом, всякая
микроскопическая коллоидная частица — мицелла — состоит из
ядра и двойного, заряженного электричеством слоя,
который не дает частицам слипаться друг с другом и
коагулировать. Кроме этого, в состав мицеллы входит
и гидратная оболочка. У гидрофильных коллоидов
она очень толстая и многослойная, у гидрофобных —
тонкая, однослойная, а во многих случаях и вообще
отсутствует.
ТАМ, ГДЕ ЕСТЬ ЖИЗНЬ, ЕСТЬ КОЛЛОИДНЫЙ
РАСТВОР
— Не удивляйтесь, что люди проявляют такой
интерес к этим растворам, — продолжала свой рассказ
красная кровяная капля. — Коллоидное состояние
имеет огромное значение для жизни. Любая живая
клетка содержит в себе сложный коллоидный раствор.
Обыкновенно он находится в состоянии геля, а
оболочка клетки играет роль полупроницаемой преграды.
С ее помощью совершаются сложные процессы
обмена вещества. Кровь — тоже коллоидный раствор.
А лимфа? А протоплазма?.. Вообще, там где есть
жизнь, есть коллоидные растворы. Некоторые ученые
начали даже говорить о коллоидах как о четвертом
агрегатном состоянии. Но они неправы.
113
Не случайно Оствальд
назвал коллоидные системы
«миром обойденных величин»— в
его время коллоидные
растворы были мало изучены и плохо
использовались человеком. В
наши дни коллоидные растворы
систематически изучаются
специальной наукой — коллоидной
химией. Значение коллоидных
растворов исключительно
велико, в широком смысле слова
коллоидами являются все
живые и растительные организмы.
Большую часть пищи мы
принимаем в коллоидном
состоянии. Коллоидную систему
представляет собой почва. Многие
химические производства
немыслимы без коллоидных
растворов. Коллоиды — это и
разнообразные строительные
материалы, многие лекарства,
краски и пр.
Один из способов нанесения
цветного рисунка на ткань —
штамповка печатной краской,
которая, по существу,
представляет собой коллоидную
систему.
Коллоидные растворы имеют огромное значение и
в неживой природе. Возьмем, к примеру, почву.
Любая почва содержит определенное количество тонко
диспергированных коллоидных частиц. От количества
коллоидных частиц в почве зависит ее способность
удерживать воду. А это важно для развития
растений, для получения высоких урожаев. Зная основные
свойства коллоидных растворов, ученые могут
теперь улучшать качество почв.
Большая поверхность коллоидных частиц, их
малые размеры помогают повысить качество или
изменить свойства многих промышленных изделий.
В сырье для каучука или для пластических масс
прибавляют, например, порошкообразные вещества,
называемые наполнителями. После перемешивания с
основой они образуют мягкую массу, из которой
формуют изделия. В качестве наполнителей берут сажу,
114
двуокись кремния, окись цинка и другие вещества.
Если эти порошкообразные наполнители будут
состоять из частиц с «коллоидными» размерами, то они
обеспечат высокое качество изделий. Даже
автомобильный транспорт зависит от этих необыкновенных
растворов, потому что резина содержит сажу, т. е.
углерод в коллоидном состоянии.
Коллоидные растворы необходимы и при окраске
тканей, и в книгопечатании. Многоцветный рисунок
смог появиться на белой поверхности ткани или
бумаги благодаря коллоидным растворам. Чтобы
удержать краску на валу, ее приготовляют в виде густого
раствора. Вот почему на производстве используют
коллоидные растворы красителей. Барабан с валками
непрерывно смачивается этим раствором и оставляет
отпечаток на проходящем полотне.
Люди создали коллоиды, в которых
«растворителем» является воздух; их называют аэрозолями.
Качество хлеба и других выпечных изделий
зависит от качества муки, а тесто — это тоже коллоидный
раствор.
Но иногда коллоидные растворы нежелательны,
мешают производству. Тогда с ними ведут борьбу,
заставляют коагулировать.
...Незаметно поток, в котором я находилась,
добрался до океана. Я почувствовала дыхание морских
волн, очень обрадовалась и бросилась играть с ними
в их сумасшедшие игры. Это был конец моего
необыкновенного путешествия. Но я надеюсь, что оно
не будет последним. Может быть, вскоре появится
солнечный луч, он снова поднимет меня в небо, и я
<еще поскитаюсь по свету и узнаю много интересного.
До свидания!
Это не кусок звездного неба, не античная мозаика
неизвестного мастера. Это острие вольфрамового анода,
увеличенное в два миллиона раз, снятое с помощью ионного
проектора. Каждая светящаяся точка соответствует
отдельному атому в металлической решетке вольфрама.
Изображения получают на флуоресцирующем экране
следующим образом. В трубке ионного проектора
создается глубокий вакуум, на впаенные в трубку электроды
подают высокое напряжение. После этого в трубку
вводят небольшое количество газа, чаще всего водорода.
Его молекулы адсорбируются на поверхности
вольфрама — на атомах кристаллической решетки. В этих
условиях атомы водорода ионизируются, дееорбируются —
отделяются от поверхности металла, а на
флуоресцирующий экран проектируется расположение атомов
металла.
В ШКОЛЕ АТОМОВ
УРОК АНАТОМИИ
Этот рассказ — фантазия. Разница между ним и
научно-фантастическим рассказом состоит только в
том, что случай, о котором я вам расскажу, никогда
не станет действительностью. Это останется чистой
фантастикой даже тогда, когда полет на другие
планеты превратится в обыкновенную прогулку, а люди
будут вечно молодыми и исчезнут зависть и война.
Рассказ называется «Урок анатомии». А раз
урок — есть и ученики. Ученики как ученики: одни
прилежные — другие ленивые, одни послушные —
другие озорники, одни сознательные — другие
несознательные. Странным в нашем рассказе будет то,
что эти ученики очень маленькие. Но поймите меня
правильно! Эти ученики малы не по годам, это не
дети дошкольного возраста, случайно попавшие в
кабинет анатомии. Это необыкновенно маленькие
существа, настолько маленькие, что мы с вами вообще не
могли бы их разглядеть, если бы не договорились
уже, что рассказ наш фантастический. Поэтому мы
видим все. Видим классную комнату. Парты. Вот и
ученики. Только учителя нет. Но, может быть, он еще
не пришел? Сейчас перемена и урок еще не начался.
Воспользуемся этим и оглядимся вокруг
повнимательней. Здесь есть на что посмотреть.
Чтобы не было недоразумений, уточним
некоторые положения. Действие происходит в наши дни в
мире атомов. Это означает, что все измеряется их
мерами. Метр и сантиметр в этом мире такие же
чуждые и неуместные единицы, как световой год при
измерении расстояния от Софии до Панчарево *.
Грамм и килограмм, которые вполне удовлетворяют
нас и в аптеке, и в овощных магазинах, в мире
атомов бесполезны и даже смешны. Основная
единица длины в мире атомов — ангстрем. В сущности,
* Панчарево — место отдыха на озере в окрестностях Софии.
117
вывести эту единицу длины для нас, людей, не
представляет трудности. Ангстрем равен Ю-10 метра.
Можно записать эту единицу так: 0,000 000 0001
метра, а если хотим использовать простые дроби,
1
то запишем: 1QQQQQO0QQQ часть метра или одна
стомиллионная часть сантиметра. Все ясно! Ясно, ко
■трудно это себе представить. Такую маленькую
черточку нельзя отметить никаким карандашом, нельзя
увидеть под обычным микроскопом. И все частицы
с размерами порядка нескольких ангстремов скрыты,
по крайней мере пока, от глаз человека. Но ведь мы
условились, что рассказ будет фантастическим!
Поэтому мы можем видеть и самые маленькие
частицы. И поскольку любопытство — вечное и
неотъемлемое свойство человека, мы можем понаблюдать
за поведением таких маленьких частиц, как атомы,
и даже обсудить их поведение. Мы сможем
критиковать его или восхищаться им, вообще оценивать
их поведение с нашей, человеческой точки зрения.
Конечно, они никогда не узнают нашего мнения о них,
потому что не читают фантастических рассказов.
Может быть, даже к лучшему им не знать, что известно и
что не известно о них человеку...
КАБИНЕТ АНАТОМИИ В ШКОЛЕ АТОМОВ
Мы в светлой просторной комнате. Здесь все, как
в кабинете анатомии в 'Нашей школе. Впереди черная
доска и кафедра учителя, вдсль стен шкафы с
анатомическими препаратами и другими наглядными
пособиями. В комнате двенадцать больших столов,
расположенных перпендикулярно к окнам. А на
столах все необходимое для нормального учебного
процесса. Есть и микроскопы, и скальпели, и склянки
с препаратами. На стенах висит несколько
портретов и десяток учебных схем, нарисованных цветными
карандашами.
Но гораздо интереснее ученики. Никогда до сих
пор я не видел таких существ. Они как будто похожи
на нас, людей, но настолько одинаковы, что я на
первый взгляд с трудом мог различить их. Веро-
118
ятно, познакомившись поближе с этими странными
существами, я начну их узнавать.
Различная психология учеников обнаруживается
уже при распределении мест. На первых столах
больше всего свободных мест. В первом ряду сидят
всего два ученика и то на значительном расстоянии
друг от друга. От второго до десятого ряда
разместилось по восемь, десять учеников в каждом ряду,
а в последних двух рядах, которые были немного
придвинуты к шкафам, сидят в тесноте по
четырнадцать учеников. Это, вероятно, самые слабые
ученики, которые по несколько лет ходят в один и тот
же класс. Они были к тому же самыми рослыми.
Сидя здесь в задних рядах, они пытаются
спрятаться за спинами своих товарищей, чтобы не
попасть на глаза учителю, который может заставить
их отвечать на какой-нибудь вопрос. Все слабые
ученики похожи друг на друга и очень непохожи на
хороших учеников.
Вдоль окон сидят один за другим шесть
учеников, которые заметно отличаются от остальных своим
внешним видом. Они одеты, что называется, с
иголочки. Положив руки на столы, они задумчиво
смотрят в окна. Несмотря на то, что сейчас
перемена! Несмотря на то, что в комнате тут и там кто-то
кого-то хватает за волосы, летают мятые бумажки
или раздается громкий смех. Эти ученики ко всему
равнодушны. Они, очевидно, считаются
«благородными». Они держатся надменно и не хотят
участвовать в мелких шалостях своих одноклассников. Они
даже боятся дотронуться до них, чтобы не запачкать
своих белых манжет.
Самыми озорными выглядят ученики, сидящие
вдоль стены. Они непрерывно вскакивают со своих
мест, заглядывают за дверь, чтобы посмотреть, не
идет ли учитель, бросают через весь класс
бумажные шарики своим друзьям или незаметно
подкрадываются к ним, чтобы дернуть за волосы, и снова
бегут на свое место. Шалуны! Но и они не смеют
задевать «благородных» в ряду около окон.
Очень интересны ученики, сидящие во втором
ряду. Они..,
119
— Класс, встать! Класс, смирно!—услышал я
команду. У открытых дверей на часах, как солдат,
стоял один из учеников и предупреждал всех, что
идет учитель.
Перемена прошла слишком быстро. Я даже не
успел разглядеть всех учеников. Но ничего, сейчас
начнется урок и мне станет ясно, кто что собой
представляет.
Мимо дежурного с журналом под мышкой
прошел быстрым энергичным шагом учитель. Я
остолбенел. Это был мой учитель химии. Не ошибся ли я?
Не сон ли это? С какой стати мой учитель химии,
товарищ Стоянов, будет давать урок анатомии и
в этой школе? Он встал перед классом,
поздоровался легким кивком головы, сел за кафедру и
открыл журнал.
— Дежурный, кто сегодня отсутствует? —
обратился он к стоящему около него ученику.
— С утра отсутствует Калий, — ответил
дежурный, — кроме того, только что ушли Менделевий и
Лоуренсий. Они сказали, что им опять очень плохо
и они не могут больше выдержать ни одной минуты.
Их провожает Олово.
Товарищ Стоянов записал все в журнал. После
этого он повернулся к классу и снял очки. Я хорошо
знал этот его жест. Когда он снимал свои очки,
он как будто начинал лучше видеть своих учеников.
Сейчас он начнет их спрашивать. У него «страшная»
система опроса. Он быстро задает вопросы всем
ученикам и держит весь класс в напряжении. Тяжело
им придется!..
— Та-а-к, — вздохнул учитель. — Какая тема была
у нас на последнем уроке анатомии?
Взгляд его обежал ряды. Вопрос был не самый
страшный.
ЧАСТИЦЫ, ИЗ КОТОРЫХ ПОСТРОЕНЫ АТОМЫ
— СКАЗАЛ БАРИИ И ПРИГОТОВИЛСЯ СЕСТЬ
НА МЕСТО. Ведь он ответил на вопрос! Но взгляд
учителя заставил его остановиться.
— Очень хорошо... А что это за строительные
частицы и что ты о них знаешь?
120
— Составляющих частиц много, — медленно
начал Барий. — Мы даже не знаем их всех. Мы знаем,
например, электроны. Электрон очень маленькая
частица. Он в 1837 раз легче атома Водорода, самого
легкого из нас. — Барий указал пальцем на своего
одноклассника, который сидел в первом ряду и не
смел глаз поднять на учителя. — Электрон —
заряженная частица. Он несет заряд отрицательного
электричества, который в значительной степени
определяет его свойства. Так, например, электрон
притягивается к положительно заряженному телу и
отталкивается от отрицательно заряженного. Он движется
очень быстро не только, когда находится в нашем
теле, но и когда отрывается от нас и становится
свободным. Получить свободный электрон не очень
трудно. Некоторые из нас, атомов, легко и охотно
отдают электроны. Вот, например, Радий может
сразу выдать вам свои электроны.
И Барий обернулся к сидящему за его спиной
Радию с явным намерением предложить ему
провести этот эксперимент. Радий был готов. «Почему
бы нет?! Это отвлечет внимание учителя от опроса».
Но товарищ Стоянов не поддался на провокацию.
— Оставим эту демонстрацию на другой раз,—
прервал он Бария.—А сейчас скажи, какие еще
элементарные частицы ты знаешь. Или нет... Теперь
я дам слово другому. Пускай-ка скажет Водород.
Водород встал. Его одноклассники заулыбались.
Водород был из них не только самый маленький и
самый легкий, но и самый простой. Когда его
спрашивали, он всегда отвечал коротко, ясно и просто,
даже несколько примитивно. Его речь не имела той
гладкости, которой обладали «благородные». И
сейчас его ответ был краток.
— Кроме электронов, — начал Водород, — есть
еще одна элементарная частица — протон. Это очень
тяжелая частица — весит она почти столько же,
сколько я сам, и несет один положительный
электрический заряд. Я, например, состою из одного
электрона и одного протона. Значит, этих двух
частиц достаточно, чтобы существовали мы, атомы.
— Для тебя, может, и достаточно, — сказал
товарищ Стоянов, — но это потому, что ты очень просто
121
Вильгельм Конрад Рентген
{1845—1923)—немецкий физик.
Его имя связано со
знаменитым открытием, которое он
сделал 8 ноября 1895 г. При
опытах с открытыми
значительно раньше катодными
лучами Рентген обнаружил
слабое свечение экрана, несмотря
на то, что вся опытная
аппаратура была плотно закрыта
черной бумагой. Рентген
объяснил это свечение
проникновением через черную бумагу
неизвестных лучей, которые он
назвал икс-лучами (теперь их
называют рентгеновскими). Он
описал и особые свойства этих
лучей, их ионизирующее
действие, способность вызывать
свечение, сильно выраженную
проникающую способность и
самое важное—зависимость их
поглощения от плотности
вещества, на которое они
направлены. Он показал, что
проникающая способность этих
лучей растет с увеличением
скорости катодных лучей,
которые их вызывают. Рентген
разработал широко
используемую и в наши дни конструкцию
трубки с согнутым катодом и
наклонным платиновым
антикатодом. В 1901 г. Рентген
получил Нобелевскую премию.
Советский физик А. Ф.
Иоффе писал о Рентгене: «Его
блестящий талант
экспериментатора, ясность и простота
постановки опыта,
всесторонний и тонкий анализ
возможных ошибок, наибольшая
точность и достоверность
полученных результатов — вот черты,
которые объединяют все его
25 работ и делают их
классическими!».
устроен, проще всех других атохмов. Но остальные
атомы обладают и другими элементарными
частицами. Не знаешь ли ты некоторые из них?
— Других я не знаю, — заявил Водород и сел.
— Скажи, Неон, что ты знаешь по этому
вопросу?— услышал я снова голос учителя.
В ряду «благородных» поднялся Неон. Он все
знал. Он всегда был хорошо подготовлен. И сейчас
спокойно начал отвечать:
— В состав атомов входят и другие элементарные
частицы. Одна из них — нейтрон. Нейтроны не имеют
заряда, они электронейтральны. В то же время масса
их значительна — почти такая же, как у протона или
122
у атома Водорода. Нейтроны были впервые открыты
Джеймсом Чедвиком в 1932 г. и названы так этим
исследователем. В 1933 г. Блекетт и Оккиалини
открыли новую элементарную частицу, которую они
назвали позитроном. Позитроны имеют ничтожно-
малую массу, равную массе электрона. Но заряд
у них положительный. С 1937 г. известны и так назы-
ваемые мезоны — частицы, которые по весу занимают
промежуточное положение между электроном и
протоном. Их заряд может быть положительным или
отрицательным. Встречаются также и нейтральные
мезоны. Мезоны очень неустойчивые частицы, они
существуют короткое время и переходят в другие, более
прочные частицы, чаще всего в электроны, позитроны
и др. Можно назвать и другие элементарные
частицы, например нейтрино. Но ими мы будем
заниматься в старших классах.
Анри Антуан Беккерель
(1852—1908)—французский
физик. Окончил Политехническую
школу в Париже, после чего
учился еще три года и
получил диплом
инженера-строителя дорог и мостов. Увлечение
физикой привело его в Музей
естествознания, где он в
должности помощника натуралиста
занимался физическими
опытами. Позже преподавал
физику в Училище ремесел и
искусств и был избран
профессором физики. Первые
исследования Бекксреля посвящены
магнитному вращению
плоскости, поляризованной светом.
Позже он изучал
люминесценцию — свечение некоторых
веществ в результате их
предварительного облучения. В ходе
этих исследований Беккерель
натолкнулся на радиоактивное
излучение урановой руды.
Сначала это не привлекло
внимания ученых. Но в 1S97 г. суп»
руги Пьер и Мария Кюри
подробно исследовали эти лучи.
Результаты их опытов
открыли новую эпоху в развитии
физики и химии — эпоху ядернога
распада. В 1903 г. Беккерель
вместе с Пьером и Марией
Кюри получил Нобелевскую
премию за открытие явления
радиоактивности. Анри
Беккерель с 1889 г. был членом
Парижской Академии наук и
почетным членом многих
иностранных академий наук.
123
t -w
Пьер Кюри (1859—1906) —
французский физик. С детства
интересовался математикой и
физикой. В 19 лет имел уже
настолько солидные знания в
этих областях науки, что, не
закончив высшего
образования, работал ассистентом в
Парижском университете. С
1883 г. преподавал в Высшем
техническом
физико-математическом училище в Париже.
Однако из-за отсутствия
высшего образования долгие годы он
не мог получить звания
профессора в университете.
Гениальный ученый, прославивший
свою родину, до конца жизни
не имел во Франции своей
лаборатории и работал в очень
трудных условиях. Вместе со
своим братом минералогом
Жаком Кюри, изучая свойства
кристаллов, Пьер Кюри открыл
явление пьезоэлектричества —
возникновение электрических
зарядов в кристаллах
(например, в кварце) при их
механическом сжатии или
растяжении. Остроумными опытами
они доказали, что существует
и обратное явление —
возникает механическая деформация
кристалла при появлении
электрических зарядов на его
гранях. Выдающимися можно
назвать и исследования Пьера
Кюри в области магнитных
свойств различных веществ в
интервале температур от
комнатной до 1400° С. Вместе с
Марией Кюри Пьер Кюри,
оставив свои исследования,
начал работу по получению
радиоактивных элементов и
изучению их свойств. В 1903 г.
открытие радиоактивности было
отмечено Нобелевской премией.
Неон сел на место очень довольный собой. Вопрос
был исчерпан. Пускай теперь и другие выступят
так же.
— То, что сказал Неон об элементарных
частицах, правильно. Но как эти элементарные частицы
располагаются в атоме? Что ты думаешь по этому
вопросу, Фтор? — повернулся учитель в другую
сторону.
Фтор встал. Он всегда торопился. Всегда говорил
быстро, энергично, иногда даже несвязно, как будто
боялся, что кто-то прервет его и он не успеет
сказать все, что думает. И сейчас он начал
стремительно.
124
— Они расположены... они расположены, как
Солнечная система. То есть нет, — поправился он,
заметив недовольное выражение на лице учителя. — Часть
элементарных частиц составляет атомное ядро. Оно
положительно заряжено, имеет большой вес и
является «сердцем» атома. В нем сосредоточена почти
вся масса атома. Вокруг этого ядра вращается
определенное количество электронов. Именно столько
Мария Склодовска-Кюри
(1867—1934) — родилась в
Варшаве в большой семье
польского учителя. Блестяще
окончила гимназию. Из-за
ограниченности средств не
могла дальше учиться и работала
учительницей в богатых
семьях. Свободное время
посвящала самообразованию. В 1891 г.,
скопив небольшую сумму,
уехала в Париж и поступила
на физический факультет в
Сорбонну. Студенческие годы
Марии Склодовской были
годами напряженного труда,
нищеты и первых успехов в
науке. В 1897 г. занялась вместе
с мужем Пьером Кюри
изучением лучей, открытых Бекке-
релем. Эти исследования,
проведенные в неимоверно
трудных условиях, — во дворе
университета и в сарае, привели
к открытию двух новых
элементов — полония и радия,
первых радиоактивных
элементов. Мария Кюри предложила
и само понятие
«радиоактивность». За эти исследования
она вместе с Беккерелем и
Пьером Кюри была удостоена
Нобелевской премии по физике
за 1903 год. Так она стала
первой женщиной, получившей
эту высокую награду. После
трагической смерти мужа
Мария Кюри была назначена на
«го место профессором физики
в Парижском университете.
Она была первая женщина-
профессор в стенах Сорбонны.
В 1900 г. Мария Кюри
получила чистый радий. Это
достижение принесло ей
Нобелевскую премию по химии за
1911 г.
По инициативе Склодовской-
Кюри в 1914 г. в Париже был
создан знаменитый Радиевый
институт. Она создала первые
точные методы и приборы для
исследования свойств
радиоактивных элементов, что
позволило ей сделать много
открытий в этой области. Мария
Склодовска-Кюри была
почетным членом многих
академий наук. Ее упорство и
самоотверженная любовь к науке
вызывают восхищение.
125
ДЕЙСТВИТЕЛЬНО, НЕТ ЛИ ТУТ СХОДСТВА!
ЭЛЕКТРОН
электронов, сколько положительных электрических
зарядов имеет ядро. Получается картина, очень
похожая на ту, что мы учили по астрономии о Солнечной
системе. Поэтому я немножко поторопился сказать
это... о планетах и о Солнце. СУЩНОСТЬ НЕ ОДНА
И ТА ЖЕ,
СХОДСТВО С СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМОЙ ТОЛЬКО
КАЖУЩЕЕСЯ
И планеты и Солнце электрически нейтральны,
а электроны и ядро — заряженные частицы. Такое
представление о строении атома впервые высказал
английский ученый... английский ученый...
— Резерфорд... Эрнст Резерфорд, — подсказал
Неон.
— Да, Резерфорд, — вспомнил Фтор и
неодобрительно посмотрел на Неона, как бы говоря: «Зачем
подсказываешь, я и без тебя вспомню!»
— Итак, — повторил товарищ Стоянов
поучительным тоном, — каждый атом состоит из положительно
заряженного ядра, вокруг которого двигаются
отрицательно заряженные электроны. Они вечно будут
следовать по своему пути, называемому орбитой.
Ну, а что представляет собой орбита? Что-то вроде
шоссе, железнодорожной линии или велотрека?
Какую форму она имеет? Круг, эллипс или что-то более
сложное? Ты знаешь?
Вопрос был обращен к Криптону, но было ясно,
что учитель не ждет верного ответа. И действительно,
ученик смешался.
— Нет, не как шоссе. Конечно, нет и рельс. Земля
же не по рельсам вращается вокруг Солнца.
Наверное, это круг или эллипс, как у земной орбиты. Без
рельс и без дорожных знаков электрон точно знает
свой путь и движется по нему, — попытался Криптон
«общей образованностью» и шуткой прикрыть свою
неуверенность.
— Это, до некоторой степени, правильно, —
ободрил его учитель. — Таким и было представление
создателя первой количественной теории строения атома
датского ученого Нильса Бора. Его портрет висит
127
г
Эрнст Резерфорд (1871 —
1937) — знаменитый физик.
Родился в Новой Зеландии.
Высшее образование получил у
себя на родине. Будучи
студентом, высказал в докладе
невероятную по тем временам
мысль об атоме как «сложном
образовании». Получив
стипендию, Резерфорд уехал в
Англию. В Кембридже он работал
в знаменитой лаборатории
Дж. Томсона, а три года
спустя был уже избран
профессором в Монреале, в Канаде.
Потом снова Лондон, где Ре-
зерфорда избирают
президентом Королевского общества,
присваивают звания почетного
члена многих академий.
Имя Резерфорда связано с
изучением радиоактивных
лучей, созданием знаменитой
планетарной модели атома а
искусственным превращением
элементов друг в друга. В
1920 г. Резерфорд предсказал
существование нейтрона. Его
исследования положили начало
ядерной физике и изучению
ядерной энергии. Резерфорд
создал большую школу
физиков. Его учениками были Бор,
Чедвик, Вильсон, Астон, Мил-
ликен, Капица. Он похоронен
в Лондоне рядом с такими
великими людьми науки, как
Ньютон, Фарадей и Дарвин.
справа от доски. Действительно, нет никаких
указателей, которые бы направляли электрон по нужному
пути, — снова обернулся учитель к Криптону.—
Верно и то, что он очень хорошо знает свой путь.
Однако эти мелкие частицы проявляют известные
капризы, известную непоследовательность и не дви-
Рабочее место Резерфорда в
лаборатории Кавендиша в
Кембридже.
128
Джозеф Джон Томсон (1856—
1940) — английский физик.
Получил образование в
колледже при Кембриджском
университете. В 28 лет стал заве-
дывать знаменитой
лабораторией Кавендиша при
университете, основанной
Максвеллам. Уже первые работы Том-
сона были значительным
вкладом в науку. Он обосновал и
развил электромагнитную
теорию Фарадея—Максвелла, за
14 лет до Эйнштейна пришел
к выводу, что инертная
масса движущегося тела должна
быть больше инертной массы
этого тела в покое. Томсон вел
обширные исследования
электрических разрядов в газах и
катодных лучах. В этой
области он сотрудничал с такими
видными учеными, как Резер-
форд, Ланжевен, Вильсон,
Астон. В 1897 г. Томсон
открыл первую элементарную
частицу — электрон, что
позволило ему объяснить природу
рентгеновских лучей,
электропроводность металлов и другие
явления. Существование
электрона подсказало идею
сложной структуры атома. Томсон
считал, что электрон —
составная частица каждого
атома. В 1903 г. он предложил
модель атома, впервые
созданную на основе
экспериментальных данных. Томсон
первый отметил роль электронов
в химической реакции.
гаются по одной простой геометрической фигуре —
окружности или эллипсу, а «размазываются» в
пространстве вокруг ядра, образуя «электронное
облако».
— Как так «размазываются»?—удивился кто-то
из учеников в последних рядах, не дослушав до
конца объяснение учителя. — Ведь электрон такая
маленькая частица. Могут ли от нее образоваться
еще более мелкие частички, да и как они
размажутся в таком большом пространстве вокруг ядра?
— Ваш соученик Церий поторопился, — с
укоризной посмотрел на него товарищ Стоянов. — Он уже
3 года слушает этот урок и очень хорошо знает, что
электрон не может размазаться в прямом смысле
этого слова, как,, например, мы размазываем масло
5 Зак. 520
129
.
Нильс Бор (1885—1962) —
датский физик. Родился в
Копенгагене, в семье профессора
физиологии. Еще в 21 год
представил в Датское королевское
научное общество свою первую
работу, за которую получил
золотую медаль. Бор
стажировался в Кембридже у Дж. Том-
сона. Позже работал с Резер-
фордом, которого считал
своим учителем. В 1923 г. Бор
опубликовал три работы, в
которых изложил квантовую
теорию водородного атома. В
них он сформулировал свои
знаменитые постулаты,
вычислил предполагаемые размеры
атома, его возможные
энергетические состояния, объяснил
и многие другие явления.
В Копенгагене Бор создал
Институт теоретической
физики, который стал центром
притяжения для сильнейших
физиков-теоретиков нашего века.
Бор был награжден
Нобелевской премией по физике, он
являлся членом более 20
академий.
Теоретические обоснования
Бора встречали иногда
сопротивление со стороны
Эйнштейна, но, как подчеркивал сам
Бор, научные споры и
дискуссии только развивали и
уточняли его теорию. Всю жизнь
Бора волновали не только
проблемы науки, но и судьба
человечества. Он был великий
ученый и деятельный борец за
мир.
на куске хлеба. Здесь это выражение используется
условно. На самом деле имеется в виду совсем
другое. Будьте внимательны!
После этих слов учитель поставил на стол макет,
который был приготовлен к новому уроку. Это был
обыкновенный шар. Учитель нажал какую-то кнопку
и шар разделился на две одинаковых полусферы.
Теперь все могли видеть, что внутри, в центре
большого шара, расположен другой, маленький шарик,
выкрашенный в красный цвет, наверное, для того,
чтобы его было лучше видно издали. Пространство
между маленьким красным шариком и поверхностью
сферы было- заполнено чем-то вроде гипса или
пластмассы серого цвета. Этот макет напоминал
громадный плод с очень маленькой косточкой внутри.
— Атом Водорода, как вам уже известно, —
продолжал учитель, — имеет самое простое строение.
130
f f iS^jyif
&}шглё
J£ ш
Щш
1FR ' Щ} JPx? wmi
£ :»|
<r * " ^^p^ ^p Si ЧИ ^^л
1l s
Tl ■—Я
Исследовательская группа
знаменитой Кавендишской
лаборатории в 1923 г. В группе
много видных ученых,
работавших над раскрытием
загадки атома. Сидят Чедвик, Астон,
Дж. Томсон, Резерфорд и др.;
первый слева в среднем ряду
советский физик П. Л. Капица.
Участники IV Сольвеевского
конгресса в Брюсселе в 1924 г.
Сидят слева направо:
Резерфорд, Мария Кюри, А. Ф.
Иоффе, Холл, Ричардсон и др.
5*
ш
МОДЕЛЬ АТОМА ВОДОРОДА
ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО — ЭТО ЧАСТЬ ПРОСТРАНСТВА,
ГДЕ ВЕРОЯТНОСТЬ НАХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОНА НАИБОЛЕЕ ВЕЛИКА
Вот этот красный шарик в центре — его ядро. Оно
представляет собой один протон с массой, равной
единице, с одним положительным зарядом. Вокруг
ядра располагается сферический слой, окрашенный
в серый цвет, напоминая облако.
ОБЛАКО — ЭЛЕКТРОН
ЕДИНСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОН ВОДОРОДА.
— Но ведь электрон — частица, которая во много
раз меньше протона, — отозвался Церий. — А на
макете получается наоборот.
— Здесь нужно сосредоточить свое внимание,
чтобы понять сущность вопроса. Электрон,
действительно, очень маленькая частица, намного меньше
протона. Если бы мы могли взять его пинцетом,
заставить остановиться и поместить на нашем макете,
то он выглядел бы маленькой точкой в этом своем
ноле около ядра. Но мы, к сожалению, не можем
этого сделать. Электрон находится в вечном
движении, он не знает покоя. Если в какой-то момент он
находится здесь, — учитель показал указкой точку
на сфере, — то в следующее мгновение он уже
окажется на противоположной стороне сферы. Потом
этот непоседа будет здесь... там... наверху... внизу...
Указка учителя касалась точки за точкой вокруг
ядра водородного атома и постепенно, как игла
швейной машины, будто вышила электронное облако.
— Итак, — продолжал товарищ Стоянов — не
нужно думать, что электронное облако образовано
множеством электронов, как обычное облако,
состоящее из капелек воды. Не нужно считать, что
происходит какое-то деление этой маленькой частицы.
Облако принадлежит одному единственному, целому
и неделимому электрону. Оно является результатом
«капризов» электрона, его непостоянства, его
неспособности двигаться по точно определенным
«рельсам». Поэтому-то электрон в известной степени
неуловим для нас. В его состоянии есть некоторая
неопределенность. Чтобы охарактеризовать это
особое состояние электрона, известный физик XX века
немецкий ученый Вернер Гейзенберг ввел понятие
133
I
I I
I ■
Макс Планк (1858—1947) —
немецкий физик,
основоположник квантовой теории. С юных
лет проявлял интерес к
естествознанию. В Берлинском
университете слушал лекции
знаменитых физиков Гельмгольца
и Кирхгофа. Впоследствии
возглавил кафедру, которой до
1894 г. руководил Кирхгоф. В
этом же году Планк стал
членом Берлинской Академии
наук, а позже и ее секретарем.
В 1918 г. ему присуждается
Нобелевская премия по физике.
Докторская диссертация
Планка была посвящена
обоснованию второго начала
термодинамики. В монографии
«Принципы сохранения
энергии», вышедшей в свет в
1887 г., он анализировал и,
уточнял понятие энергии. В
1900 г. Планк исследовал
зависимости, которые наблюдаются
при тепловом излучении
черных тел, не подчиняющиеся
законам классической физики.
Для этого вида явлений Планк
создал квантовую гипотезу (or
латинского слова «квантум» —
количество). Планк считал,
что квант энергии прямо
пропорционален частоте и
некоторой постоянной, которую он
обозначил буквой Н и назвал
«квантом действия». Позже эта
константа получила название
«постоянной Планка». Так
зародилась квантовая физика.
Гипотеза Планка оказалась
очень полезной во многих
областях современной физики. В
1905 г. Эйнштейн с ее помощью
развил представление о
двойственной корпускулярно-волно-
вой природе света. Позже она
легла в основу квантовой
механики, которая объясняет
движение и энергетическое состояние
элементарных частиц,
составляющих атомы. Первое
доказательство правильности
квантовой гипотезы Планка дали
работы Бора и Зоммерфельда по
строению атома водорода.
Макс Планк был также
философом-материалистом. Боль*
шое значение имели его
выступления против идеалистических,
воззрений Маха.
о принципе неопределенности. Он показал, что
невозможно узнать одновременно и точно энергию и
местоположение электрона. Чем точнее определена
энергия, тем неопределеннее будет положение электрона.
К сожалению, у нас в классе нет портрета Гейзен-
берга. Но скоро мы повесим его.
134
Представьте себе теперь, — говорил учитель,—
что вас спрашивают: «Где в данный момент
находится электрон Водорода? Где сосредоточена его
масса, его отрицательный заряд? Вот вам указка,
встаньте и покажите!» Повертите указкой и
покажите на все это серое пятно. «Наверняка где-то
здесь. Где-то в границах этого электронного облака!».
И нужно вам сказать, что только такой
неопределенный ответ будет ближе всего к действительности.
Потому что электрон настолько непоследователен,
что может находиться и вне электронного облака.
О нем никогда ничего нельзя сказать с полной
уверенностью. Всегда приходится добавить: «Это мало
вероятно, это очень вероятно, это наиболее
вероятно!» То, что электрон может находиться вне
электронного облака, — это мало вероятно. Электронное
облако — это та часть пространства, в котором
вероятность нахождения электрона будет наибольшей.
Когда делают учебный макет электронного облака,
следует принимать во внимание, что облако должно
ограничивать пространство, где вероятность
нахождения электрона составляет 90%. Значит, в 90%
случаев электрон действительно находится где-то в этой
сфере, но в 10% случаев он находится где-то в
близлежащем пространстве, — и учитель неопределенно
махнул рукой. — Кроме этого нужно знать, что
облако имеет разную плотность. Вероятность
нахождения электрона в одной его части больше, чем в
другой. Но это сравнительно трудный вопрос, с которым
мы познакомимся в будущем."
Учитель приготовился убрать макет. Он явно
считал объяснение законченным и теперь внимательно
вглядывался в учеников, хотел убедиться, что все
.хорошо поняли.
— Есть что-нибудь неясное? — обратился он
к ученикам.
Вернер Гейзенберг (род.
1901 г.) — немецкий
физик-теоретик, ученик Зоммерфельда,
Борна и Бора. С 1927 г. —
профессор в Берлине,
Лейпциге, Геттингене, а с 1946 г.—
директор Института физики
.Макса Планка в Геттингене.
Гейзенберг — один из
создателей квантовой механики. В
1927 г. он сформулировал
важный физический принцип
соотношения неопределенностей. За
работы по квантовой механике
ему присуждена была
Нобелевская премия.
135
Луи де Бройль (род. 1892) —
французский физик. Происхо-
Зрвин Шредингер (1887—1961)
— австрийский физик-теоретик.
Окончил университет в Вене.
Был профессором в
Штутгарте, Цюрихе, Вроцлаве,
Берлине. После захвата власти
фашистами эмигрировал в
Англию. С 1940 г.— профессор
Дублинского университета в
Ирландии. В 1920 г.
разработал математическую теорию
цвета. Его заслугой является
создание волновой механики.
Значение сформулированного
Шредингером уравнения,
носящего его имя, для
современной физики аналогично
значению для классической физики
второго закона Ньютона. В
1933 г. австрийский ученый
получил Нобелевскую премию по
физике. Шредингер был
почетным членом многих академий.
дит из старинного
королевского рода Бурбонов. По этому
поводу физики шутили:
«Напоследок Бурбопы создали
короля-физика». В своей
докторской диссертации (1942 г.) де
Бройль выдвинул идею
волновых свойств материи.
Согласно его теории, каждой частице,
обладающей определенной
массой и движущейся с
определенной скоростью,
соответствует волна, длина которой
зависит от массы и скорости
частицы. Опыты подтвердил»
теорию де Бройля и показали^
что все микрочастицы,
независимо от их природы и
строения, обладают, кроме
корпускулярных, еще и волновыми
свойствами.
Де Бройль — секретарь
Парижской Академии наук,
почетный член Академии наук
СССР.
136
— Это... для Водорода все выглядит ясно и
просто, — осмелел Уран. — А как обстоит дело с нами?
У нас намного больше электронов. Все ли они
находятся в этом электронном облаке? Не мешают ли они
друг другу, не сталкиваются ли между собой? Хоть
бы поставить там одного милиционера, чтобы
направлять их движение!
Учитель, видимо, ожидал этого вопроса.
— Кто вам сказал, что одно электронное облако
может принадлежать всем электронам? Это
невозможно. Они действительно мешали бы друг другу.
В одном электронном облаке может двигаться самое
большое два электрона и то при условии, что они
имеют различный спин. Ведь вы не знаете, что
означает спин? Сейчас мы разберемся в этом вопросе.
ЗАПИШИТЕ НОВЫЙ ЗАГОЛОВОК:
ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНА
— Трудное дело — определить, какова энергия
данного электрона. Вычислить абсолютную величину
этой энергии даже невозможно. Для этого нужно
было бы знать полностью все виды движения, в
которых участвует эта частица, — и ее движение вокруг
ядра, и движение самого атома относительно Земли,
и движение Земли относительно Солнца, и Солнца
относительно Большой Галактики. Нужно знать и
учитывать все взаимодействия электрона с другими
частицами. Это невозможно. Поэтому обыкновенно
условно принимают потенциальную энергию за нуль,
если он находится на расстоянии, бесконечно
удаленном от ядра атома. В этом случае можно определить,
какова энергия притяжения электрона относительно
этого условного нуля. Но и это не легкое дело. Даже
внутри атома электрон участвует в нескольких видах
движения, которые вносят вклад в величину его
общей энергии. С одной стороны, электрон совершает
поступательное движение вокруг ядра и вращается
в рамках своего электронного облака. Это движение,
конечно, дает главную, основную, самую большую
часть его энергии. С другой стороны, электрон
137
ЭЛЕКТРОН ВРАЩАЕТСЯ ВОКРУГ СВОЕЙ ВООБРАЖАЕМОЙ
ОСИ ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКЕ И В ОБРАТНОМ
НАПРАВЛЕНИИ. ЭТО ДВИЖЕНИЕ ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ СПИНОМ
Альберт Эйнштейн (1879—
1955) — немецкий физик. В. И.
Ленин считал его одним ич
самых великих
преобразователей в естествознании.
Родился в Вюртемберге в Германии.
В 1905 г. опубликовал
исследования, которые принесли ему
мировую известность. Он
создал теорию относительности,
вывел знаменитую формулу
Е — тс2, которая выражает
зависимость между массой в
покое и энергией тела в
движении. Теория относительности
раскрыла истинный физический
смысл основных понятий:
массы, пространства и времени.
Лауреат Нобелевской премии
по физике, почетный член
многих академий, в том числе и
Академии наук СССР. В 1933 г.
в знак протеста против
фашизма вышел из состава
германской Академии наук, из-за
еврейского происхождения
вынужден был эмигрировать в
США. Эйнштейн не только
великий ученый, он был великий
обладает еще одним свойством, которое физики
иногда уподобляют вращению его вокруг своей
воображаемой оси. В этом движении существует только две
возможности. Электрон может вращаться налево или
направо, по часовой стрелке или против. Это
свойство электрона в атоме называют спином. Таким
образом, два электрона могут обладать или
одинаковым или противоположным спином. Третьей
возможности нет! Это движение немного прибавляет к общей
энергии данного электрона, но все-таки этой
величиной нельзя пренебречь.
Иногда электрон участвует и в принудительном
движении под действием факторов, которые
обнаруживаются в его атоме. Это происходит, когда атом
попадает во внешнее магнитное поле.
Здесь товарищ Стоянов немного помолчал. Он
заметил, что зашел слишком далеко и его слушатели
с трудом следят за объяснением. Празеодим и
Неодим в последнем ряду даже начали шептаться.
гуманист, сторонник
сотрудничества между народами и
мирного использования
достижений науки.
139
— Вспомните из уроков физики, — продолжал
учитель,— что когда электроны двигаются по кругу, по>
замкнутому проводнику, то в нем возникает
электрический ток. Это, в сущности, и определяет само
понятие «электрический ток». Вы знаете также, что
если по проводнику течет электрический ток, то в
пространстве вокруг проводника возникает
электромагнитное поле. Раз это так, выходит, что каждый
электрон, двигающийся в пределах своего
электронного облака, будет создавать соответственно
направленное электромагнитное поле. Оно будет менять
свою направленность, потому что электрон находится
в вечном движении. Но это поле будет существовать
постоянно. Теперь не удивительно, что когда
электрон попадает во внешнее магнитное поле, оно
начинает взаимодействовать с электромагнитным
полем, созданным самим электроном, и это вызывает
определенные изменения в его движении. При этом
наблюдается изменение в общей энергии электрона,
но только во внешнем магнитном поле.
— Теперь мы дошли до самого трудного, —
говорил товарищ Стоянов. ЧТОБЫ ИМЕТЬ
ВОЗМОЖНОСТЬ РАЗОБРАТЬСЯ В ЭНЕРГИИ ДАННОГО
ЭЛЕКТРОНА, ЧТОБЫ ЗНАТЬ, КАКОЙ ИМЕННО
ЭЛЕКТРОН ДАННОГО АТОМА —ГЛАВНЫЙ,
УЧЕНЫЕ ПРИДУМАЛИ ШИФР
— СИМВОЛИЧЕСКОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ. Они ввели
так называемые квантовые числа.
Квантовые числа — числа как числа,
обыкновенные цифры: 1, 2, 3, 4. Ими ничего не измеряют — ни
работу, ни энергию, но если они известны, то с их
помощью и еще с некоторыми данными можно
вычислить энергию каждого электрона. Для
характеристики любого электрона достаточно четырех
квантовых чисел.
Первое число — главное квантовое число. В
научной литературе его обозначают маленькой латинской
буквой п. Оно связано с движением электрона в
пределах электронного облака. С его помощью можна
оценить основное количество энергии электрона.
140
Второе число известно как орбитальное квантовое
число /. И оно связано с движением электрона внутри
электронного облака, но дает представление о форме
этого облака. От его величины зависит, имеет ли
облако форму сферы, листа клевера или
изображается какой-нибудь еще более сложной фигурой.
Главное квантовое число п может иметь значение
любого целого положительного числа х>т единицы до
бесконечности, а орбитальное квантовое число /
всегда меньше главного числа п. В крайнем случае, / =
= п— 1, т. е. максимальное значение / на единицу
меньше значения п.
Третье квантовое число — магнитно-орбитальное
число mi. Это число дает возможность различать
электроны, попадающие во внешнее магнитное поле. Два
электрона могут полностью походить друг на друга —
иметь одинаковую форму и размеры облака, но во
внешнем магнитном поле претерпевают различные
воздействия. Это означает, что эти электроны
различаются по своему третьему квантовому числу — по
магнитно-орбитальному числу mL. Это квантовое
число может иметь значения целых положительных и
отрицательных чисел. Оно может быть и нулем. Для
него допустимы все значения целых чисел от —/ до
Четвертое квантовое число — спиновое число 5.
Оно может иметь только два значения. Ведь мы уже
говорили, что существует только два возможных
направления вращения электрона вокруг своей оси.
Принято два значения этого числа обозначать
цифрами: + 72 И —72.
— Эн, эль, эм, эс — заметил Стронций, — это
звучи! как магическое заклинание. Не могли ли
ученые придумать что-нибудь посложнее?
— Нет, это достаточно сложно, — ответил
учитель. — Эти числа позволяют безошибочно
охарактеризовать данный электрон, потому что каждая
комбинация из четырех чисел отвечает одному-един-
ственному электрону. Нет и не может быть в данном
атоме (или даже в группе связанных между собой
атомов) двух электронов, которые имели бы четыре
одинаковых квантовых числа. Этот принцип известен
как принцип Паули. Иначе и не может быть. Если бы
141
тик. С 1927 г. — профессор
Политехнического института
в Цюрихе. Основные его
работы посвящены квантовой
механике. Паули высказал одно
из важнейших положений
теоретической физики — он
сформулировал так называемый
принцип Паули: в атоме или
группе атомов не может быть
двух электронов с четырьмя
одинаковыми квантовыми
числами. В 1931 г. Паули
выдвинул гипотезу о существовании
нейтронов. Он объяснил
парамагнетизм электронов в газах,
создал теорию спина
электрона и ядерных сил,
у двух электронов было четыре одинаковых
квантовых числа, это бы означало, что они совершенно
неразличимы между собой, что они имеют одну и ту
же энергию, двигаются в одном и том же облаке,
вращаются в одном и том же направлении... Все это
невозможно, как невозможно, например, посадить
Гелий и Водород за одну парту, вернее на один и тот
же стул, чтобы они занимали одновременно одно и
то же место в пространстве.
— Это означает, — Криптон хотел показать, что
ему все понятно, — что если в строю электронов
возникнет одинаковая комбинация из четырех чисел, то
вперед выйдет только один электрон. Как в
телефонной сети. Мы набираем на аппарате несколько цифр,
а на другом конце провода отзывается только один
определенный абонент.
— Это верно, — улыбнулся сравнению учитель,—
но только здесь в отличие от телефонной станции
никогда не бывает ошибок. Твое сравнение неплохо.
Квантовые числа — действительно, символы, которые
дают нам возможность узнать, в каком именно
состоянии находится электрон.
— Я понял, что квантовые числа могут иметь
самые различные значения. В таком случае между ними
будет, возможно, бесконечное множество
комбинаций, —> заметил Гелий. — как же узнать, какую именно
Вольфганг Паули (1900—1958)
— швейцарский физик-теоре-
142
ПО ГЛАВНОМУ КВАНТОВОМУ ЧИСЛУ П МОЖНО СУДИТЬ
ОБ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНА
комбинацию выбрали себе наши электроны. Нет ли
какого-нибудь «справочника», вроде телефонного,
который бы служил нам, атомам? — использовал он
сравнение Криптона.
Гелий был «сила» в математике. И сейчас же
ухватился за комбинации.
— Чтобы ответить на этот вопрос, — начал
объяснять учитель, — нужно всегда иметь в виду одно
важное правило: электроны стремятся занимать самый
низкий свободный энергетический уровень. Это
основная тенденция всех тел в природе. Самым
устойчивым будет то положение равновесия, при котором
энергия будет минимальной. Вы по опыту знаете, что
чувствуете себя намного устойчивее, если ляжете на
землю и таким образом доведете свою потенциальную
энергию до наименьшей величины, чем когда встанете
на деревянные ходули и центр тяжести переместится
выше. Так и электроны. Каждый электрон
«устраивается» на месте с наименьшей энергией. А чем ближе
к ядру находится электрон, тем меньше его
потенциальная энергия. Поэтому первый электрон
размещается на самом близком расстоянии от ядра. Он
занимает первую, самую низкую ступень на шкале
энергии. Для второго электрона место наиболее
низкого энергетического уровня находится там же, но
при условии, что он имеет противоположный спин.
Третий электрон должен занимать вторую ступень,
потому что на первой уже удобно расположились его
предшественники. Четвертый электрон, если его спин
обратен спину третьего, тоже займет вторую ступень
и т. д. Таким образом, получается, что для
определения места данного электрона около ядра нужно
прежде всего вычислить его энергию. Именно здесь
квантовые числа дают нам известные удобства. Чем
больше данное квантовое число, тем значительнее
энергия, которая ему соответствует.
Теперь доставим удовольствие Гелию и проследим,
какие именно из возможных комбинаций выбирают
себе его электроны. Встань, Гелий.
Самое низкое значение квантового числа п это
единица, не правда ли? Какие значения в этом случае
могут принимать другие квантовые числа —
орбитальное, магнитное и спиновое?
144
ОРБИТАЛЬНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО / ХАРАКТЕРИЗУЕТ
«РОРМУ ЭЛЕКТРОННОГО ОБЛАКА
Гелий начал высчитывать. Он делал это сразу
вслух.
— Вы сказали, что орбитальное квантовое число /
может быть только положительным и при этом не
больше п—1. Тогда получается, что в этом случае
единственное допустимое значение для этого числа —
нуль, потому что 1 — 1=0. Нулем будет и магнитное
число, так как оно занимает положение от —/ до +/.
А что касается спинового числа, то оно не зависит
от других чисел и может иметь два значения: —1/2
или -р/г- Выходит, что при п = 1 существует только
две возможных комбинации. Из ряда чисел эти
комбинации будут такие: п = 1, / = 0, mi = 0, s = —{/2
и п = 1, / = 0, nit = 0, 5 = +V2.
— Правильно!—товарищ Стоянов не скрывал
своей радости. — В первом слое могут располагаться
самое большее два электрона, потому что при п = 1
существует только две возможных комбинации
квантовых чисел. Это будут два электрона с
приблизительно одинаковой энергией, два электрона, которые
различаются только своими спинами. Следовательно,
вы можете записать: максимальное количество
электронов, которые могут попасть в первый электронный
слой, — два. Подчеркните это и хорошенько
запомните!
— Но это наш случай, — посмотрел Гелий на
Водород, а потом снова на классную доску. — Водород
имеет один электрон, который соответствует одной из
указанных здесь комбинаций, а мои два электрона...
выходит, что мои два электрона имеют
противоположный спин. Кроме того, если я правильно понял,
у меня первый электронный слой уже полностью
заполнен. Только... мне не совсем понятно это
выражение... электронный слой?
Учитель улыбнулся. «Вижу в тебе своего ученика.
Он все хочет знать!»
— Мы уже говорили, — начал он, — что
представляет собой орбита. Орбиты нескольких электронов,
которые обладают близкими величинами энергии,
образуют один электронный слой. И поскольку главная,
основная часть энергии электрона характеризуется
главным квантовым числом /г, то каждому значению
этого числа будет соответствовать новый электронный
146
МАГНИТНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО mL ОПРЕДЕЛЯЕТ
ПРОСТРАНСТВЕННУЮ НАПРАВЛЕННОСТЬ ОБЛАКОВ ПОД
ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
слой. Когда п = 1, это первый слой (называемый еще
/(-оболочкой); когда п = 2, это второй электронный
слой (или L-оболочка); когда п = 3, это третий слой
(или М-оболочка) и т. д.
Следовательно, — повторил еще раз учитель,
чтобы убедиться, что все поняли его, — все электроны
двигаются по своим орбитам. Несколько орбит
образуют слой, а все слои данного атома представляют его
электронную оболочку. Самым простым является
первый слой, или /(-оболочка. В нем имеется самое
большое два электрона.- Из-за того, что эти электроны
различаются только по своим спинам, они двигаются
в одном электронном облаке. Вы уже видели на
макете это облако. Оно имеет сферическую форму.
Запишите теперь себе: когда орбитальное квантовое
число / равно нулю, соответствующее ему электронное
облако имеет форму сферы. Для краткости ученые
назвали такие электроны s-электронами.
А теперь, — предложил товарищ Стоянов, — пусть
Литий рассчитает максимальное число электронов,
которые могут разместиться во втором электронном
слое, в L-оболочке.
— Во втором слое, — начал Литий, — главное
квантовое число должно быть два. Тогда орбитальное
квантовое число будет иметь два значения: 1 = 0 и
/= 1. Все стало намного* сложнее. Едва ли я смогу
сосчитать.
— А ты попробуй, — ободрил его учитель. —
Попытайся сначала с одним из возможных значений.
— Если орбитальное квантовое число 1 = 0,—
осмелел Литий, — то и магнитное орбитальное
квантовое число mi = 0, а спиновое квантовое число 5
будет иметь два значения: —1/2 н -Н/г- Тогда... (ученик
начал считать на пальцах) можно сделать две
комбинации: п = 2, 1 = 0, Ш] = 0, s =+1/2 и п = 2,
1 = 0, mi = 0, s = -—72. Получается два электрона,—
посмотрел он полувопросительно на учителя.
— Да, два электрона. Вычисления показали, что
и в этом слое будет два электрона с орбитальным
квантовым числом /='0, а это означает, что и здесь
будет два s-электрона с противоположным спином. Но
ведь слой еще не заполнен. Попытайся теперь
рассмотреть второй случай.
148
СОГЛАСНО ПРИНЦИПУ ПАУЛИ В ОДНОМ АТОМЕ ИЛИ
ГРУППЕ АТОМОВ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ДВУХ ЭЛЕКТРОНОВ С
ЧЕТЫРЬМЯ ОДИНАКОВЫМИ КВАНТОВЫМИ ЧИСЛАМИ
Ti
1 1
■11»ИЦ Р1Ч11 "
ОРБИТАЛЬ
НОЕ I
КВАНТОВОЕ |
ЧИСЛО 1
ДАЕТ 1
ПРЕДСТАВ- 1
ЛЕНИЕ J
О ФОРМЕ 1
ЭЛЕКТРОН- 1
НОГО |
ОБЛАКА 1
[Мй
■"■11
ртит—■ ■ ■■ ■
1 МАГНИТНОЕ 1
1 КВАНТОВОЕ 1
I ЧИСЛО 1
1 ААЕТ 1
Iвозмож- 1
В ность 1
1 РАЗЛИЧАТЬ 1
I ЭЛЕКТРОНЫ, I
(ПОПАДАЮЩИЕ!
J ВО ВНЕШНЕЕ I
■ МАГНИТНОЕ 1
I ПОЛЕ 1
СПИНОВОЕ
КВАНТОВОЕ
ЧИСЛО
ХАРАКТЕРИЗУЕТ
ВРАЩЕНИЕ
ЭЛЕКТРОНА
ВОКРУГ ЕГО
ВООБРАЖАЕМОЙ ОСИ
— Второй случай, — продолжал Литий, — когда
орбитальное квантовое число /= 1. Тогда магнитно-
орбитальное число mi может иметь значения + 1, 0>
— 1, а спиновое число опять будет или +7г или — 7г-
Теперь комбинаций будет больше. Не могу сразу
сказать, сколько. Первая комбинация: п = 2, /=1,
mL=l, s = +V2; вторая комбинация: 2, !, О, +72-
Третья комбинация: 2, 1, — 1, +72- Потом будут
такие же комбинации с обратным спином: 2, 1, 1, —1/2:
2, 1, 0, —1/2 и, наконец: 2, 1, —1, —72- Раз... два...
три... четыре... пять... шесть. Шесть! Значит, эти
квантовые числа имеют шесть возможных комбинаций.
Тогда получается, что во втором электронном слое
может быть кроме двух s-электронов еще шесть, или
всего 2 + 6 = 8 электронов.
— Это у меня столько электронов, — воскликнул
Неон с другого конца класса. — Я имею всего-навсего
десять электронов. Два должны быть в первом слое,
а остальные восемь попадают во второй. Выходит,
что у меня все заполнено. Значит, я — совершенное
создание, — пошутил он не без чувства собственного
достоинства.
— У тебя, действительно, и второй слой
заполнен,— согласился с ним товарищ Стоянов. — Ты
имеешь два s-электрона в первом слое и два s-элек-
трона и шесть /7-электронов во втором слое.
Запишите себе: электроны, которые имеют орбитальное
число /= 1, ученые называют /^-электронами. В
первом слое /7-электронов нет ни одного, а во втором
слое их число может достигать шести. Мы уже
говорили, что орбитальное квантовое число /
характеризует форму электронного облака. Значит, в этом
случае нужно ожидать не сферическую форму, как было
при 5-электронах, а какую-то другую. Облако
/7-электронов имеет своеобразную форму, напоминающую
гимнастическую гантель, или пространственную
восьмерку. Кто из вас догадается, сколько нужно таких
облаков для шести /7-электронов? Как ты думаешь,
Кислород?
— Может быть... шесть облаков? — неуверенно
начал Кислород. Но когда заметил по выражению
лица учителя, что это неправильно, он поправился.—
А может быть, и меньше. Ведь в каждом облаке мо-
150
КАЖДОМУ ЗНАЧЕНИЮ КВАНТОВОГО ЧИСЛА П СООТВЕТ*
СТВУЕТ СТРОГО ОПРЕДЕЛЕННЫЙ НАБОР ОСТАЛЬНЫХ
КВАНТОВЫХ ЧИСЕЛ
L-слоиф
щзь
гут двигаться два электрона с противоположным
спином. Если эти шесть электронов договорятся между
собой, можно будет двигаться по двое в одном облаке.
Тогда будет только три облака.
— Это верный ответ, — кивнул головой учитель. —
р-Электроны расположены по трем электронным
облакам, направленным по трем взаимно
перпендикулярным направлениям пространства. Вот посмотрите
на этот макет. И учитель показал модель трех
электронных облаков /7-электронов. Три тонкие, взаимно
перпендикулярные спицы черного цвета изображали
оси координат. На них в трех направлениях были
надеты выкрашенные в серый цвет фигуры в форме
гантелей.
— Здесь, в точке пересечения осей координат,
расположено ядро. А это сами облака, которые
образуют между собой углы по 90°. Электроны всех этих
облаков имеют одинаковые значения главного
квантового и орбитального квантового чисел. Но они
различаются по значению своих магнитно-орбитальных
чисел. Запишите: величина магнитного числа
характеризует направленность электронного облака в
пространстве.
Макет снова был отставлен в сторону и учитель
продолжал:
— А что можно сказать об электронах третьего
слоя, или М-оболочки? Пусть кто-нибудь из
четвертого ряда скажет. Где Железо?
— Здесь я, — неохотно ответил атом Железа.
«Учитель просто не может без меня обойтись. Все
самое трудное спрашивает у меня». — Что сказать?
То же, что и об электронах внутренних слоев. Но
только эти электроны будут обладать еще большей
энергией. У них главное квантовое число п будет
равно трем. Орбитальное число / может быть или
нуль, или единица, или самое большое два.
Рассмотрим сначала тот случай, когда / = 0. Нужно
проделать те же расчеты, которые уже проводились, и
получим, что в этом слое тоже будет два s-электрона
с противоположным спином.
Здесь атом Железа замолчал на минуту, потому
что учитель повесил на стенку таблицу, которая,
очевидно, имела отношение к этому вопросу. Таблица
152
ТРИ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБЛАКА В ФОРМЕ ГАНТЕЛЕЙ
РАСПОЛОЖЕНЫ В ТРЕХ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ НАПРА *
ВЛЕНИЯХ. ЭТИ ОБЛАКА ОБРАЗОВАНЫ ШЕСТЬЮ р- ЭЛЕ К-
ТРОНАМИ
выглядела несложной. Над первой колонкой стояла
надпись «Оболочка», над второй «Квантовое число п».
Затем следовали колонки и с другими квантовыми
числами, в последней колонке указывалось число
электронов. Вся таблица была заполнена цифрами.
— При значении орбитального числа /, равном
единице, — продолжал атом Железа немного
медленнее, чтобы успеть сориентироваться в таблице, —
снова будем иметь шесть р-электронов. Комбинации даны
в этой таблице. Значит, стало восемь электронов.
Теперь осталось определить число электронов при /,
равном двум. Тут придется немножко больше
посчитать. Если /='2, то магнитное квантовое число
может иметь пять значений: —2, —1, 0, 1 и 2. Это
записано в таблице. Теперь, если иметь в виду, что
спиновое число признает только два значения для
каждого магнитного квантового числа, то для пяти
значений мы получим 10 различных комбинаций:
з, 2, -2, -72; з, 2, -1, -V2; з, 2, о, -72
з, 2, —2, + 72; з, 2, -1, + 72; з, 2, о, + 72 и т. д.
И атом Железа изобразил еще четыре
комбинации, в которых магнитное число имело уже
положительные значения 1 и 2.
Такой всегда был умник, этот атом Железа!
Быстро соображал, всегда все знал, если его спросят, но
вечно ворчал и жаловался на свою судьбу. Теперь он
продолжал:
— Следовательно, М-оболочка будет иметь два
з-электрона, шесть р-электронов и десять... десять не
знаю, каких еще, своих электронов. То есть всего
18 электронов.
— Все правильно, за исключением этого «не знаю,
каких своих», — сказал учитель. — Эти десять
электронов, которые обладают орбитальными квантовыми
числами со значением два, называются d-электрона-
ми. Подчеркните у себя это. И запишите еще: все те
элементы, атомы которых имеют электроны этих
d-уровней, но не занимают все ^-уровни, называются
переходными металлами.
В сущности, — приостановился на мгновение
учитель, — до сих пор мы говорили о 5-, /?-, d-электронах
154
и теперь легко запомнить: 5-, /?-, d-энергетические
уровни электронов. Это нельзя путать. Я раньше уже
объяснял вам немного, что представляют собой
энергетические уровни, но не упоминал, как они
называются. Теперь мы выясним до конца этот вопрос.
Если у вас есть возможность взять и рассмотреть свои
отделяющиеся электроны, вы можете заметить, что
они совершенно одинаковые, неразличимые. Но в
атоме, внутри вас, они могут обладать тем или иным
количеством энергии и занимать один или другой
энергетический уровень. Только тогда они становятся
разными. Электроны, которые занимают s-уровень,
являются 5-электронами, а попав на р-уровень, они
становятся р-электронами и т. д.
— Теперь обобщим. — Товарищ Стоянов начал
говорить медленно, чтобы ученики могли спокойно
записать все. — В первом электронном слое имеется
только два электрона, во втором — восемь, а в
третьем больше всего — восемнадцать. Сколько могло бы
их быть в четвертом слое? Слушайте внимательно,
чтобы уловить закономерность.
Максимальное число электронов во всех слоях
подчинено формуле N = 2-n2, где п — главное
квантовое число. Верно ли это? Для первого слоя
получили 2• I2 = 2, для второго слоя 2-22 = 8, и, наконец,
для третьего слоя 2-32 = 18. Теперь нетрудно
вычислить число электронов, которые заполняют четвертый
слой. Здесь может быть самое большое 2-42 = 32.
А в пятом слое? Тут нужно ожидать еще большее
число электронов — 2-52 = 50. Кроме этого, хочу
обратить ваше внимание и на то, что электроны данного
слоя хотя и близки по количеству энергии, но не
одинаковы и группируются по форме своих электронных
облаков в отдельные группы. Так, наиболее низко
расположенными уровнями являются s-уровни,
которым соответствуют облака сферической формы. Такие
уровни имеются во всех слоях, но только по-одному.
Следующие три /^-энергетических уровня заняты
шестью р-электронами. Такие уровни будут иметь все
слои за исключением первого. Новые, пятые d-уровни
будут иметь в распоряжении по 10 d-электронов.
Новая группа электронов, которая впервые
встречается нам в четвертом слое, будет называться
155
группой /-электронов. Можете сообразить, какое
будет максимальное число f-электронов? Это не очень
трудно. Оно будет соответствовать орбитальному
числу L = 3. Тогда 5-электронов 2, р-электронов 6,
d электронов 10... Видите, каждая группа электронов
отличается от следующей на четыре. Значит, можно
предположить, что f-электронов будет самое
большое 14, ^-электронов — не больше 18.
— Можно один вопрос? — спросил Радон. До сих
пор он что-то подсчитывал на пальцах и непременно
хотел задать свой вопрос.
— Говори, — ободрил его учитель, радуясь, что
его ученики принимают активное участие в ходе
нового урока, понимают материал и даже задают
вопросы.
— Сколько электронных слоев может иметь
каждый из нас? Вы начали перечислять: первый слой,
третий слой, пятый.,, десятый... И сколько их еще
там? Откуда же возьмется так много электронов?
Вот я сделал такой расчет. Если, действительно,
электроны стремятся занять самый низкий энергетический
уровень и создание каждого слоя начинают только
после того, как полностью заполняют предыдущий
слой, то атом Лоуренсия, один из самых богатых
среди нас по числу своих электронов, будет иметь
электронную оболочку самое большое из пяти слоев.
У него 103 электрона: в первом слое 2, во втором 8,
в третьем 18, в четвертом 32, а пятый будет
неполный — 43 электрона. Какой же смысл тогда говорить
о шестом слое, седьмом и т. д., выводить общие
формулы и прочее?
Учитель Стоянов задумался. Вопрос был
серьезный. Нужно было найти самый точный ответ, потому
что, действительно, требовалось разобраться.
— Вопрос твой очень кстати, — начал он. — Этот
вопрос возник потому, что я в начале урока допустил
одну маленькую неточность. Допустил специально,
чтобы вам с самого начала не показалось все это
очень сложным. Дело в том, что наивысший
энергетический уровень данного слоя иногда находится выше
самого низкого уровня следующего слоя. Ведь
каждый слой содержит близкие по количеству энергии
электроны или, точнее, во всех слоях есть близкие
156
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМЕ КАЛИЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ
по энергии уровни. Они близки, но не одинаковы?
У каждого слоя самым низким является s-уровень,
чуть выше р-уровень, еще богаче энергией d-уровень
и т. д. Иногда получается так, что самый высокий
уровень одного слоя, например d- или f-уровень
четвертого слоя, или JV-оболочки, будет выше самого
низкого уровня следующего слоя, например 5- или
р-уровня пятого слоя, т. е. О-оболочки. И поскольку
при создании электронной оболочки каждый новый
электрон стремится занять самый низкий уровень,
часто образование нового слоя начинается до
окончательного заполнения предыдущего. Так, например,
получается у Калия.
При этих словах товарища Стоянова все
посмотрели туда, где обыкновенно сидел озорной Калий.
Сейчас его место пустовало — дежурный еще в
начале урока сообщил, что сегодня Калий
отсутствует.
У Калия всего 19 электронов, — продолжал
учитель. — Давайте распределим их по слоям. В первом
слое два электрона, во втором еще восемь — итого
десять. Остальные девять, вероятно, попадут в третий
слой. Распределим их и там. Два s-электрона займут
самый низкий уровень третьего слоя, потом шесть
р-электронов и, наконец, остается один-единственный
электрон. На первый взгляд как будто логично
поставить его в пятый d-уровень третьего слоя. Но этот
уровень богаче энергией, чем самый низкий уровень
четвертого слоя. И что же? Тогда последний,
девятнадцатый электрон Калия попадет в четвертый слой до
того, как полностью укомплектуется третий слой.
Понятно ли?
— Понятно, — отозвался Никель. — Но этот
уровень четвертого слоя может иметь только два
электрона. Что произойдет, если этот уровень заполнен?
Догадается ли тогда новый электрон достроить
третий, предпоследний слой?
— Точно так и произойдет, — согласился
учитель. — После Кальция, у которого заполняется s-ypo-
вень четвертого слоя, следует целая серия из десяти
переходных металлов, у которых число электронов
непрерывно нарастает, и каждый следующий
электрон занимает по одному из двух значений d-уровня
158
энгрггтическиЁ уэб&ни
предпоследнего, третьего слоя. Среди этих
переходных металлов и Железо, и Никель, и вообще почти все
вы, сидящие в четвертом ряду.
То, что происходит у Калия, — закономерное
явление. Оно повторяется и у Рубидия, и -у Цезия, и
у Франция. Доходит даже до того, что образование
нового электронного слоя начинается до того, как
завершено формирование предпоследнего слоя. И уже
после этого происходит заполнение этих «обойденных»
уровней, тогда как число электронов во внешних двух
слоях остается постоянным. Атомы таких элементов
внешне очень похожи. Можете ли вы угадать, кто
они?
— Наверняка, мы, — отозвались из предпоследнего
ряда. — Как только заходит речь про сходство, так
нас ставят в пример.
— Вы недалеки от истины, — улыбнулся
Стоянов. — Сколько атомов сидит там, в предпоследнем
ряду? Четырнадцать? А сколько электронов нужно,
чтобы занять /-уровень четвертого слоя? Опять-таки
четырнадцать. Ясно? У вас начинает образовываться
шестой слой, есть некоторое число электронов и в
пятом слое. Но у всех атомов элементов, следующих
за Лантаном, начинает по порядку, электрон за
электроном, заполняться четвертый слой, занимая
/-уровень предпредпоследнего электронного слоя. Два
ваших внешних электронных слоя почти одинаковы.
Потому вы и похожи друг на друга, потому и носите
одно имя — Лантаноиды.
В сущности, и ваших приятелей из последнего
ряда, Актиноидов, тоже четырнадцать. У них тоже
сначала образуются шестой и седьмой слои, а потом
начинает заполняться /-уровень пятого слоя. Но у
Актиноидов даже после попадания четырнадцатого
электрона в пятый слой он остается незавершенным.
Здесь есть место еще для 18 ^-электронов. Но этот
уровень уже слишком высок и не заполняется.
— Оказывается, мы незавершенные, — проворчал
Плутоний. — Хорошо, что Менделевий и Лоуренсий
ушли домой.
Товарищ Стоянов не слушал его. Он был доволен:
основная часть урока была пройдена успешно,
ученики поняли самое существенное.
160
ОТКУДА ИЗВЕСТНО ВСЕ ТО, О ЧЕМ
ГОВОРИЛОСЬ ДО ЭТОГО?
— СПРОСИЛ АЗОТ. — Разве можно быть
уверенным, например, что электроны занимают точно
определенные уровни, что эти уровни группируются в
несколько оболочек — слоев, что образование этих слоев
происходит неравномерно... Чтобы доказать это,
нужно было бы взять «мертвый атом», анатомировать его
и увидеть все эти слои и облака. Но где взять
«умерший атом»? Я отношусь без энтузиазма ко всем этим
обозначениям, цифрам, понятиям, которые придуманы
учеными.
Таков Азот! Он всегда инертен, всегда настроен
скептически и с трудом поддается убеждению.
Однако вопрос его, по-видимому, очень
понравился товарищу Стоянову. Он поправил очки и
ответил:
— Конечно, «вскрытие» атома дало бы самые
лучшие результаты. Но кто из вас согласится, чтобы его
разрезали на части? Никто. Хотя ученые очень
изобретательны и любопытны! Не попадитесь им
как-нибудь в руки — сразу начнут испытывать, исследовать,
осматривать. Именно эти исследования и испытания
и дают основные сведения о вашем строении. Вы
слышали, например, что у людей есть рентгеновский
аппарат, с помощью которого они видят внутренние
органы без всякого вскрытия. Пациента ставят перед
экраном, и на экране появляются его сердце, легкие,
позвоночник, ребра... вся его анатомия. И все это
двигается, работает... И вас можно подвергнуть
такому же просвечиванию. Только наблюдают и
фотографируют ваши эмиссионные спектры. Я
покажу вам один такой эмиссионный спектр —
Водорода...
И учитель, порывшись среди таблиц и макетов,
извлек бумажный рулон и, осторожно развернув его,
приколол кнопками к доске. Это была длинная лента
со множеством поперечных линий на ней. Линии были
начерчены на разных расстояниях одна от другой.
Они то сгущались, то становились реже, и создавалось
впечатление, что на ленте образовались отдельные
группы черточек.
G За к. 520
161!
— Вот это, — обратился учитель к классу, —
эмиссионный спектр Водорода. Знаете ли вы, как был
получен этот спектр? Водороду сообщили
дополнительно некоторое количество энергии. Этого можно
достичь различными способами, например нагреванием
его до достаточно высокой температуры. Водород
«заболел», ученые говорят: «возбудился». А в сущности,
его электрон, который до этого мирно кружился по
своей орбите, близкой к ядру, получив определенное
количество энергии, перескочил на другую, более
Енешнюю орбиту, соответствующую его новому
энергетическому состоянию. Возбуждение это
продолжалось ничтожно малое время — от 10~8 до Ю-9
секунды, но, видимо, не очень понравилось вашему
приятелю — в следующий момент возбужденный электрон
снова перешел на внутреннюю орбиту, излучая
определенное количество энергии. Я говорю: «излучая»,
потому что эта энергия освобождается в виде
световых лучей с той или другой длиной волны. Эта
энергия точно определена. Она равна разнице энергий тех
уровней, на которых находился электрон. И каждому
такому переходу с одного уровня на другой, —
учитель показал на спектр, — будет соответствовать одна
черточка. Чем больше излученная энергия, тем короче
длина волн излучаемого света и тем левее будет
находиться соответствующая спектральная линия.
Видите, — продолжал объяснение учитель, — на
этом спектре можно различить несколько отдельных
групп или, как говорят ученые, несколько
спектральных серий. Первая серия — левая. Она получается,
когда возбужденный электрон вращается на первом,
самом низком уровне. Крайняя левая черточка
отвечает переходу со второго на первый уровень,
следующая черточка соответствует переходу с третьего на
Дмитрий Дмитриевич
Иваненко (род. 1904) — советский
физик. В 1932 г. высказал
принятое сейчас представление о
ядре атома, состоящем из
протонов и нейтронов. Большим
вкладом в квантовую
механику являются его исследования
электромагнитных излучений
«светящихся» электронов,
ускорения до очень высоких
энергий в ускорителях типа
бетатрона и синхротрона.
Труды Д. Д. Иваненко содержат
дальнейшее развитие
уравнения Дирака, исследования
космических явлений, разработку
квантовой теории гравитации.
162
первый уровень и т. д. А самая последняя линия, та,
которой завершается серия? Она получается при
перескакивании электрона, оказавшегося вне атома
Водорода, на первый уровень. Во второй серии картина
повторяется, только теперь переход совершается на
второй уровень, в третьей серии — на третий и т. д.
Думаю, что это ясно.
— Не совсем ясно, — снова отозвался Азот. —
Разве из этого спектра следует, что электрон становится
на свое место именно таким путем?
— Конечно, это следует из спектра, — оживился
учитель. — Спектр состоит из отдельных линий. И
каждая линия соответствует определенному количеству
энергии. Но между двумя линиями — пустое
пространство. Это означает, что свет с такой длиной волн не
излучался или, другими словами, такая энергия не
может излучаться при переходе электрона с одного
уровня на другой. Следовательно, электрон, который
движется вокруг ядра, не может обладать энергией
любой величины. Он не может двигаться по любым
орбитам. Есть несколько вполне определенных орбит,
которые он может использовать, и только при
переходе с одной из них на другую он может излучать
энергию. Если бы это было не так и электрон мог
обладать разной энергией, спектр был бы другим —
непрерывным. Он соответствовал бы всем возможным
частотам колебания. Теперь понятно? Именно
спектры помогли ученым разгадать ваше внутреннее
строение. Анализируя их, Нильс Бор и создал свою
первую теорию строения атома.
Товарищ Стоянов вынул из кармана платок и
вытер лоб. «Умучили меня мои ученики. Такие уж
нынешние дети — они все хотят знать! А познакомить их
с электронной оболочкой атома — задача не легкая.
Но на этом рассказ об их анатомии еще не закончен.
Осталось еще кое-что. Осталось познакомиться с
ядром атома. Хватит ли у них сил и внимания»?
— Устали? — обратился он с доброй улыбкой к
классу. — Наверное, устали. Этот материал, который
мы с вами рассмотрели, не из легких. Но ...
поработаем еще немножко! Мы говорили об электронной
оболочке атома. ТЕПЕРЬ РЕЧЬ ПОЙДЕТ О
ГЛАВНОМ...
6*
163
СЕРДЦЕ АТОМА —ЯДРО
— В начале урока мы с вами упоминали разные
элементарные частицы — составные части атома. Но
рассматривали подробно до сих пор лишь одну из
этих частиц — электрон. Где же остальные? Где мы
их можем найти? Естественно, в центре атома, в ядре.
Ядро состоит из протона и нейтрона. Это
сравнительно тяжелые частицы, поэтому и ядро имеет
большой вес. Здесь сосредоточена почти вся масса атома.
Обычно число протонов и нейтронов примерно
одинаково.
— Это не про меня, — заметил Водород. — Я не
нуждаюсь в нейтронах.
— Да, действительно, Водород сюда не относится.
Его ядро самое простое и состоит из одного протона.
Но ядро Гелия состоит из двух протонов и двух
нейтронов. У Лития три протона и четыре нейтрона и т.д.
Чем больше протонов имеет ядро, тем больше его
положительный заряд. Ведь мы уже говорили, что
нейтрон электронейтральная частица, а протон
обладает одним положительным зарядом. В таком случае,
ядро Водорода имеет только один заряд, ядро
Гелия— два, Лития—три, Бериллия — четыре, Бора —
пять и т. д. Вообще, эти номера, по которым вас
вызывают при проверке, эти порядковые номера, по
которым вы размещаетесь за столами, точно
соответствуют числу положительных зарядов вашего ядра,
т. е. числу протонов, расположенных там, и
называются атомными номерами. Запишите это понятие и
подчеркните его.
Мы говорили уже, что в ядре сосредоточена почти
вся масса атома и сумма протонов и нейтронов даег
так называемое массовое число — меру веса данного
атома. А вес отдельного атома так мал, что его
трудно даже выразить в других единицах, которыми люди
пользуются в повседневной жизни. В одном грамме
водорода, например, имеется 6,02-1023 атомов. Это
значит, что один атом Водорода весит меньше
0,000 000 000 000 000 000 000 01 грамма. Не правда ли,
ничтожно мало? И очень неудобно для работы.
Поэтому в вашем мире нужно использовать другие,
намного меньшие единицы измерения.
164
МАССА
ЭЛЕКТРОНА
ПРЕДСТАВЛЯЕТ
СОБОЙ
1
1837
МАССЫ
АТОМА
ВОДОРОДА
ЯДРО
Дмитрий Сергеевич
Рождественский
(1876—1940)—советский физик. Автор
классических трудов в области оптики.
В 1900 г. окончил
Петербургский университет, где
впоследствии работал профессором-
Наибольшим вкладом в науку
являются исследования
«аномальной дисперсии света»,
которые привели
Рождественского к изучению строения
атомов и их спектров.
Рождественский своим путем,
опираясь на теорию Бора, объяснил
спектры некоторых
ионизированных металлов. Он
доказал глубокий физический
смысл периодической системы
Д. И. Менделеева, которая
связывает закон периодичности са
строением атома Д. С.
Рождественский одним из первых
высказал верное
предположение о магнитном
происхождении дублетов и триплетов в
спектре атомов элементов.
Единицы измерения — это изобретение людей. Они
служат им для сравнения различных величин между
собой. И так как среди людей многие хотят быть
изобретателями, часто для одной и той же величины
предлагается несколько более или менее удобных единиц.
В результате иногда получаются такие
недоразумения, что ученым всех стран приходится собираться на
Взаимодействие
элементарных частиц. Снимок сделан в
камере Вильсона. Виден путь
а-частицы, которая
взаимодействует с атомом азота. При
этой ядерной реакции от
азота отделяется протон и
образуется кислород.
166
Игорь Евгеньевич Тамм (1895—
1973) — советский физик. В
1918 г. окончил Московский
университет, преподавал в
ряде высших учебных заведений,
а с 1954 г. — в Московском
университете. Его труды
посвящены, прежде всего,
квантовой механике и ее
приложению. Тамм разработал теорию
космических лучей, теорию
взаимодействия ядерных
частиц, применил квантовую
теорию к объяснению
рассеивания света в твердых телах. Он
доказал теоретическую
возможность существования
особого состояния электронов на
поверхности кристаллов (так
называемый уровень Тамма).
В 1934 г. разработал теорию
ядерных сил, что послужило
образцом для создания
современной мезонной теории
ядерных сил. И. Е. Тамм —
Нобелевский лауреат, глава целой
школы советских физиков.
Абрам Федорович Иоффе
(1880—1960)—советский физик.
Получил образование в
Петербургском технологическом
институте. Один из крупных
ученых и организаторов советской
науки. Под его руководством
были созданы Агрофизический,
Физико-технический институты,
а также Институт
полупроводников в Ленинграде.
Иоффе работал в основном
в области квантовой механики.
Его первые исследования
посвящены обоснованию
квантовой теории света. Позже
изучал механические свойства
кристаллов, электрические
свойства диэлектриков,
свойства полупроводников и т. д.
Иоффе был замечательный
педагог, у которого учились
многие известные впоследствии
физики.
167
Энрико Ферми (1901—1954) —
итальянский физик. Родился в
Риме. В 17 лет поступил в
университет г. Пизы. Еще ке
будучи студентом, изучил
основательно классическую физику
и теорию относительности и
издал свою первую научную
работу. В 1922 г.
стажировался в Германии и Голландии.
С 1928 г. стал профессором
теоретической физики в
Римском университете, где
проявил себя ке только как
ученый, но и как выдающийся
педагог. Его учеником был Сег-
ре, открывший антипротон и
антинейтрон, и другие
известные ученые. В период
фашистской диктатуры в Италии
Ферми эмигрировал в США, где
работал профессором в
Колумбийском и Чикагском
университетах.
В 1925 г. разработал теорию,
объясняющую свойства
электронов в металлах. Имя
Ферми связано с его работами в
ядерной физике. В 1934 г. он
опубликовал свою «Теорию
р-распада», которая положила
начало исследованиям
взаимодействия элементарных частиц.
После открытия искусственной
радиоактивности Ирэн и
Фредериком Жолио-Кюри Ферми
применил нейтроны для
бомбардировки ядра. Этим
способом он получил более 60
искусственных радиоактивных
элементов. Ферми первый в
мире осуществил разделение
ядра урана. Однако в полном
объеме исследования деления
урана были выполнены Ганом
и Штрасманом и истолкованы
Фришем и Лизой Мейтнер.
Ферми открыл возможность
цепной реакции деления ядра
урана. Это привело его к идее
создания атомного реактора.
Первый в мире атомный
реактор был построен под
руководством Ферми в 1942 г. на
стадионе в Чикаго.
Ферми был лауреатом
Нобелевской премии, членом
многих академий, в том числе и
Академии наук СССР.
конгрессы и договариваться о наиболее подходящих и
удобных единицах измерения.
Сначала было предложено за единицу атомного
веса считать вес атома Водорода. Идея была
одобрена и атомные веса всех элементов были определены в
водородных единицах. Позже как более удобное была
принято другое предложение — за единицу измерения
атомного веса считать Vi6 веса атома Кислорода.
Тогда ученые пересчитали все веса в кислородных
168
единицах. Разница между этими двумя единицами
измерения была не очень большая, но все-таки
существенная. Сейчас еще более удобной считается
углеродная единица — Vi2 веса атома Углерода. Что
предложат нам завтра? Этого никто не может
предсказать. Но приятно то, что между отдельными
единицами нет существенных различий и введение каждой
новой единицы не является революцией в наших
представлениях об атомном весе элементов.
— Я что-то не совсем понимаю, — заметил
Кислород.— Сначала вы говорили о массовом числе, а
потом об атомном весе. Это одно и то же?
— Нет, не одно и то же, — ответил учитель. — Это
две разные, очень близкие, но не тождественные
величины. Вот, например, у Водорода массовое число
единица, а его атомный вес 1,008 кислородных
единицы. Или у Гелия: массовое число 4, а атомный вес
4,003 кислородных единицы. Видите, массовое число
всегда целое, а атомный вес элемента не может быть
целым числом, в каких бы единицах он ни выражался.
— А почему это так? — спросил Кальций. — Ведь
вес протона и нейтрона примерно одинаков. Если их
вес принять за единицу и иметь в виду, что в ядре
находятся только целые протоны и нейтроны, то и
атомный вес должен быть целым числом.
Учитель почувствовал затруднение. Но в то же
время он был рад, что его ученики проявляют интерес
и понимание.
— Вопрос Кальция вполне обоснованный, —
обратился-он к классу, — и на него трудно дать
исчерпывающий ответ. НО Я ПОПЫТАЮСЬ ОБЪЯСНИТЬ
ВАМ, ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ, ОДНУ ИЗ ПРИЧИН,
ИЗ-ЗА КОТОРЫХ
АТОМНЫЙ ВЕС ЭЛЕМЕНТА НЕ МОЖЕТ БЫТЬ
ЦЕЛЫМ ЧИСЛОМ
У каждого из вас несколько братьев и сестер, —
сказал учитель. — Но только вас, как самых
активных и умных в семье, послали в школу. Чем
отличаются от вас ваши братья и сестры? Вот, пусть
Водород нам скажет. У него есть два брата.
169
ЭЛЕКТРОН
ЭЛЕКТРОН '.;>•;
•"■'/;V'.-:
170
Использование радиоактивных
изотопов для быстрой и точной
проверки изношенности
автомобильных шин.
— Мои братья... — махнул рукой Водород. — Что
товорить о моих братьях! Они очень ленивы и поэтому
растолстели. Третьего дня они взвешивались.
Дейтерий весит в два раза больше, чем я, а Тритий — в три
раза. И как не растолстеть, когда с большим трудом
можно найти человека, который заставил бы их
работать.
— Да, — снова подхватил товарищ Стоянов. —
Действительно, твои братья тяжелее тебя. Ваши
электронные оболочки одинаковы, все вы имеете по
одному электрону. Но ваши ядра существенно отличаются
друг от друга. Ты, обыкновенный Водород, или, как
еще тебя называют, Протий, имеешь ядро из одного
протона, ядро Дейтерия состоит из одного протона и
одного нейтрона, а ядро Трития — из одного протона
и двух нейтронов. Отсюда и различия в вашем весе.
Внешний вид атомов и их основные свойства
определяются их атомным номером или, что то же, их
электронной оболочкой, потому что число протонов в ядре
равно числу электронов. У вас электронная оболочка
совершенно одинаковая. Именно поэтому вас
принимают за один элемент и вы носите одно имя —
Водород. В таких случаях ученые говорят: «Водород имеет
три изотопа — Протий, Дейтерий и Тритий». Под
изотопами они понимают атомы, которые имеют
одинаковый положительный заряд ядра, т. е. одинаковое
171
число протонов, но разное число нейтронов. Такие
изотопы есть у всех химических элементов — по два, тррг
и даже по 10, как у Олова.
Я повторю еще раз, а вы подчеркните в своих
тетрадях: разные изотопы одного и того же элемента
обладают одинаковыми химическими свойствами.
Именно поэтому их рассматривают как представителей
одного и того же химического элемента. Под химическим
элементом понимают один и тот же вид атомов с
одинаковым положительным зарядом ядра.
Но тогда ... как определить атомный вес? Возьмем,
к примеру, опять Водород. Какой атомный вес
элемента Водорода — 1,2 или 3? Ведь Водород, который
знают и используют люди, это смесь двух изотопов.
Как быть? Придется определять какой-то средние
вес. Учтем, сколько примешивается к атомам Протия
атомов Дейтерия, возьмем атомный вес отдельных
изотопов и... готово! Так мы получим цифру 1,008'
кислородных единиц. Эта цифра очень близка к
единице, потому что среди атомов Водорода
преобладают атомы Протия, а атомов Дейтерия очень мало.
В других случаях количество различных изотопов
примерно одинаково. Тогда средний атомный вес
элемента будет значительно отклоняться от целого
числа. Так получается у Хлора. Атомный вес этого
элемента — 35,457 кислородных единиц.
— Но как вычисляют атомные веса элементов? —
снова дал о себе знать Кальций. — При одном
соотношении изотопов атомный вес будет иметь одну
величину, при другом — другую. Какой смысл в этих
атомных весах, если они не постоянны?
— Смысл есть, — спокойно ответил учитель, —
потому что элементы на Земле характеризуются
постоянным составом изотопов. Это означает, что, в каком бы
уголке Земли мы не взяли Кислород, соотношение
между его изотопами будет очень близким. И хорошо,,
что это так! Иначе, действительно, нельзя было
бы говорить об атомном весе химических
элементов.
— Итак, за этот урок мы рассмотрели почти все,
что вы должны знать о строении атома, — закончил
товарищ Стоянов. — Конечно, есть еще много
подробностей, но самое существенное вы теперь знаете.
172
Учитель посмотрел на свои часы. Оставалось еще
несколько минут до звонка.
— А откуда берутся остальные элементарные
частицы, — спросил Франций, — если ядра состоят
только из протонов и нейтронов, а около них вращаются
электроны? Ведь есть еще позитроны, мезоны,
нейтрино и др.
— Я ждал такого вопроса. Только думал, что вы
спросите иначе: «Как столько протонов с
одноименными зарядами мирятся друг с другом и вместе с
нейтронами составляют ядро атома? Ведь одноименно
заряженные частицы согласно закону Кулона
отталкиваются друг от друга...»
ПОЧЕМУ ПРОТОНЫ НЕ ОТТАЛКИВАЮТСЯ?
Эти вопросы тесно связаны между собой. Атомные
ядра очень неустойчивы. Протоны, действительно,
должны отталкиваться друг от друга согласно
законам электростатики. Но в ядре действуют и другие
силы, так называемые обменные силы. Ядро — это не
удобный отель, в котором расположились протоны и
нейтроны. Это скорее бушующее море, где все
движется, кипит, борется. Ядерные частицы непрерывно
взаимодействуют между собой. Часть протонов
превращается в нейтроны и наоборот. Именно при этих
реакциях- и отделяются те частицы, о которых мы
говорили в начале урока. Здесь образуются и мезоны, и
нейтроны, и позитроны...
Чем больше протонов в ядре, тем больше и его
положительный заряд, тем больше и нейтронов, тяжелее
и само ядро. И как большая капля воды неустойчива
и рассеивается на более мелкие/ так и эти ядра
сравнительно легко могут распадаться на более легкие.
А разрушение одного ядра влечет за собой серьезные
изменения и в электронной оболочке. Она тоже
должна разрушаться. Ведь число электронов должно
соответствовать числу протонов в ядре? Так из одного
химического элемента в результате такой ядерной
реакции может получиться другой элемент. Могут
образоваться последовательно даже два и больше более
легких элементов. Догадываетесь, об атомах каких
элементов я говорю? Это те ваши товарищи, которые
173
ЯДЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ НЕПРЕРЫВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ
ДРУГ С ДРУГОМ; КАЖДАЯ ЧАСТИЦА СТАНОВИТСЯ ТО
НЕЙТРОНОМ, ТО ПРОТОНОМ
чаще всего отсутствуют на уроках. Вот сегодня,
например, ушли раньше Менделевий и Лоуренсий. У них
очень тяжелые ядра, настолько неустойчивые, что
сами собою, спонтанно распадаются на более легкие
элементы. Время их жизни, или, как говорят ученые,
период полураспада, очень небольшой. И если бы не
ученые, которые искусственно получили их, этих
ваших друзей вообще бы не было среди вас. Этот
процесс спонтанного распадения ядра атомов называют
радиоактивным распадом. Впервые радиоактивный
распад наблюдали у Радия, Полония и Урана. Этот
процесс препятствует образованию еще более
тяжелых элементов. Иначе ученые получили бы гораздо
больше 105 элементов. Впрочем, время жизни
каждого следующего элемента будет, может быть, все
короче и он фактически будет распадаться прежде, чем
его успеют изучить. Так что в принципе существует
предел искусственного получения новых элементов,
связанный с их чрезвычайно короткой жизнью.
Товарищ Стоянов вздохнул. Действительно,
обидно, с каким упорством природа сопротивляется
каждой попытке человека увеличить число известных
химических элементов!
— Итак, — закончил учитель, — я не могу
назвать вам максимальное число элементов, которые
могут образовываться на нашей планете. Это зависит от
возможностей и способностей людей, которые
занимаются регистрацией новых элементов. Вероятно,
скоро придется поставить еще один стол где-нибудь в
последних рядах. Но когда это будет? — И товарищ
Стоянов вопросительно приподнял плечи.
В это время зазвенел звонок. Конец этому
длинному уроку. Атомы вскочили со своих мест, поднялся
шум. Учитель убрал журнал, макеты, футляр от очков,
кивнул и вышел из класса. Началась большая
перемена. Все возились, играли, кричали... Только
«благородные» сидели невозмутимо на своих местах и
смотрели в окна.
Урок анатомии? Но какой же это урок анатомии?
Это просто урок химии. Потому и учителем был
товарищ Стоянов. Но... как объяснить атомам, что такое
химия? Для них этот урок всегда будет уроком
анатомии.
175
В наши дни химики не гадают о свойствах вещества, не
мечтают о волшебном эликсире жизни и всемогущем
философском камне. В наши дни химия — точная
наука, выводы которой основываются на проверенных
данных. На помощь химии пришли электронные
микроскопы, ионные проекторы, полярографы, электронные
пишущие устройства, кибернетические машины, плазменные
генераторы... десятки современных физических приборов.
Они точно фиксируют данные, которые диктует им
вещество. А химики? Химики должны уметь читать эти
данные. Они должны правильно понять ответы, данные
лриродой на их вопросы.
Мелкие белые пятнышки на черном фоне этого
снимка, сделанного с помощью электронного микроскопа,
дают представление о структуре кристаллической решетки
сплава меди, золота и алюминия.
УРОК ДИПЛОМАТИИ
АТОМЫ ИЗУЧАЮТ ДИПЛОМАТИЮ
Я знаю, что есть люди, у которых дипломатия
«в крови». Обыкновенно они добиваются того, чего
хотят, действуя очень тактично, спокойно, и у
окружающих даже не возникает впечатления, что им
навязали чужую волю. Есть люди, которые годами
изучают дипломатию, чтобы потом использовать ее
уловки при установлении отношений между державами.
Но я никогда не думал, что и атомы могут изучать
дипломатию. Анатомия — это другое дело, все
должны хорошо знать себя. Но дипломатия?.. Что могут
изучать эти крохотные частицы на уроках
дипломатии? Разве их отношения настолько сложны, что
нужно специально обучаться тому, как их «портить»
и как «исправлять»? Очень смешным выглядело бы,
например, такое событие: в результате плохих
дипломатических отношений атомы Водорода объявляют
войну атомам Хлора! Объявляют войну и начинают
стрелять. Стреляют, наверное, электронами,
протонами, мезонами... Если при этом между отдельными
группами атомов были заключены пакты о
ненападении и о взаимопомощи, инцидент может перерасти в
мировую межатомную войну. Чем это кончится,
неизвестно... Нет, известно! Раз война, то ничего хорошего
ждать нельзя . Действительно, уж лучше атомам
изучать дипломатию.
Я так увлекся своими размышлениями, что даже
не заметил, как в класс вошел учитель, как он
поздоровался с учениками и отметил отсутствующих. На
этот раз я был поражен еще больше, чем на
предыдущем уроке. Учителем был не кто иной, как тот же
товарищ Стоянов. Сейчас только он дал урок
анатомии атомов, а теперь собирался заниматься с
атомами основами дипломатии. При этом я отлично знал,
что сам он не любит «дипломатии». На своих
уроках он всегда требовал коротких и ясных
ответов, без всяких лишних разговоров. А какая может
177
быть дипломатия без длинных «дипломатических»
объяснений.
Но... товарищ Стоянов уже снял свои очки. Он
оглядел класс и вызвал Фосфор отвечать на какой-то
вопрос.
— Дипломатия, — неохотно поднялся Фосфор,—
дипломатия — сложная наука. Она учит, как
разрешать спорные вопросы без ссор. Она учит, как
соблюдать свои интересы и уважать интересы других.
Это сложная наука, — повторил еще раз Фосфор и
сел на место.
— А в чем заключаются ваши разногласия?
Какие важные «спорные вопросы» приходится вам
решать с помощью дипломатии? — поставил учитель
свой второй вопрос. Теперь отвечать должен был
Литий. ОН НАЧАЛ ТАК:
ВСЕ НАШИ КОНФЛИКТЫ ВОЗНИКАЮТ ИЗ-ЗА
ЭЛЕКТРОНОВ
Эти озорники непрерывно двигаются туда-сюда и
постоянно находят себе какое-нибудь занятие.
Кроме того, у них столько претензий, что им невозможно
угодить. У меня, как вы знаете, не много электронов.
На последней моей оболочке движется всего один
электрон, но и его мне больше чем достаточно. Этот
электрон делает столько глупостей, что я с
удовольствием подарил бы его кому-нибудь. Вот, например,
позавчера я встретил атом Хлора. Он гордился
своими семью электронами на внешней оболочке и
двигался важно-важно. Мой внешний электрон, завидев
атом Хлора, начал сумасбродничать и серьезно
беспокоить меня. «Отпусти меня, — говорит, — хватит
держать меня взаперти. Хочу к электронам Хлора.
Смотри, как им хорошо, — большая компания, говорят,
смеются. А я здесь один слоняюсь туда-сюда.» Я
подумал: почему бы не отпустить его? Такой баловник мне
не нужен. Я бы с радостью подарил его Хлору, да еще
неизвестно, возьмет ли он его?! Чтобы не
скомпрометировать себя в глазах чужого атома и не показать,
что мой электрон бунтует против меня, я завел
дипломатический разговор...
178
— Куда ты направился, друг Хлор? Вижу, ты
нарядный, веселый, довольный и думаю: почему бы тебе
не отправить ко мне в гости твоих
мальчиков-электронов из внешнего слоя? Погостили бы у меня день-два,
поиграли бы с моим электроном и меня повеселили
бы... Если им станет скучно, верну их обратно. А ты
за это время отдохнешь немножко. С семью буйными
головушками нелегко справляться.
Смотрю, Хлор в хорошем расположении духа.
— Я бы отправил их к тебе, приятель Литий, но
зачем тебе наживать головную боль? Да и мои
внешние электроны стали домоседами — человек не может
их выгнать из дома. Сидят все семеро во мне и
только распоряжаются: «Эй, атом, пошевеливайся, найди
нам еще одного приятеля-электрона. Вот тогда мы
успокоимся!» Так что, если хочешь, можешь
отправить ко мне свой электрон. Меня это не затруднит —
где семь озорников, там и восемь. Может быть, тогда
они успокоятся. Я смотрю на Аргон. У него восемь
внешних электронов и нет никаких пререканий с
ними. Они не сердят его понапрасну на прогулке, не
ищут себе компаний... И твои дела, может быть,
поправятся. Без внешнего электрона ты приобретешь
точно такую же структуру внешней оболочки или,
как говорят ученые, точно такую же электронную
конфигурацию, как у Гелия. А ведь ты знаешь, что
он из спокойных «благородных».
Хорошо, что я силен в дипломатии' Пускай теперь
Хлор воспитывает мой электрон. Но, кажется, мои
дипломатические ходы не были до конца обдуманы. Как
только я расстался со своим электроном, я
почувствовал, что во мне происходит какая-то перемена. Мне
сразу стало грустно без электрона, а Хлор показался
мне очень симпатичным. И он как будто стал
неравнодушен ко мне. С этого момента, куда бы он ни пошел,
я следую за ним, и куда бы я ни направлялся, он
двигается за мной. Мы стали неразлучны.
Учитель одобрительно кивал головой.
— Браво, Литий. Очень удачный рассказ о
встрече с Хлором. Ты хотел отвязаться от своего
электрона, хлору был нужен один электрон, и дело было
улажено. И всегда так удачно устраиваются дела,
179
когда одни ищут электроны, а другие готовы их
отдать. По своим склонностям в этом направлении вы,
атомы, значительно отличаетесь друг от друга.
РАЗЛИЧНА И ВЕЛИЧИНА, КОТОРАЯ НАЗЫВАЕТСЯ
ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ
Это энергия, которую нужно придать одному
электрону с внешней оболочки, желающему покинуть свой
атом, чтобы удалиться на бесконечное расстояние от
ядра- Литий, например, имеет очень малую энергию
ионизации и способен даже при простом облучении
солнечным светом отдать свой электрон. Хлор,
наоборот, очень упрям и отличается большой энергией
ионизации.
Ученые нашли способ измерять эту склонность
атомов принимать чужие электроны. При этом
процессе происходит выделение энергии. Энергия,
которая выделяется при принятии одного электрона
данным атомом, называется электронным сродством.
Итак, одни химические элементы имеют большое
электронное сродство и большую энергию ионизации.
О них говорят, что это сильно электроотрицательные
элементы. Они легче принимают электроны, чем
отдают. Таков и Хлор. Другие элементы менее
электроотрицательны, у них электронное сродство и энергия
ионизации меньше. Они охотно отдают свои
электроны.
— А ты знаешь, — обратился учитель снова к
Литию,— что случилось с тобой, когда ты утратил один
электрон? Известно ли тебе, что вообще происходит
с атомами, когда они отдают часть своих электронов
или оказывают гостеприимство чужим электронам?
Литий смотрел с удивлением. «Что может
произойти? Они становятся легче по весу? Ни в коем случае.
Электрон весит слишком мало.» Постепенно лицо его
качало проясняться, он явно уже догадался.
— Если я отдаю один электрон... у меня
становится меньше на один электрон.
Класс зашумел. «Это понятно само собой. Ты
шутишь, Литий?»
— А это означает, — продолжал Литий, — что мой
отрицательный заряд становится меньше. Тогда я,
180
Литий, хотя и останусь самим собою, но буду
обладать большим положительным зарядом.
— Нет, ошибаешься, ты уже не будешь тем же
самым атомом Лития! — возразил с улыбкой
учитель.— Атом является атомом до тех пор, пока он
электронейтралеп. Получив какой-нибудь заряд, он.
превращается в ион. Запишите себе это слово — ион.
В этом случае из тебя, атом Литий, получился
положительный ион Лития. Хлор тоже потерял свой облик
атома. Получив один электрон, он превратился в
отрицательный ион. Удивительно ли теперь, что
после перемещения электрона от Лития к Хлору, оба
они начали проявлять взаимную симпатию? Они
стали разнозаряженными ионами и начали
притягиваться друг к другу, как два противоположных
электрических заряда. И эти два иона будут связаны
друг с другом до тех пор, пока не вмешается какая-
нибудь внешняя сила, способная их разъединить. Эта
группа из двух противоположно заряженных ионов
может существовать самостоятельно долгое время.
Она называется молекулой — молекулой химического
соединения. Теперь вы можете записать: при
взаимодействии между атомом Лития и атомом Хлора
образовалось химическое соединение хлорид лития. Нет
уже атомов Хлора и Лития. Получилось совершенно
новое химическое соединение. И это происходит с
каждым из вас в результате ваших «дипломатических
отношений», когда вы начинаете взаимодействовать
между собой. От вашей независимости,
самостоятельности и свойств почти ничего не остается. Вы
входите в состав химического соединения, которое имеет
совсем другие свойства.
— Мы, действительно, будем полностью
обезличены как атомы, если войдем в состав химического
соединения? Зачем же нам тогда дипломатия? —
спросил Магний. — Эти ионы, о которых вы
говорите, ведь произошли от нас. Неужели они не
обладают нашими свойствами и не похожи на нас?
— Да, ионы существенно отличаются от вас,
нейтральных атомов, — начал объяснять учитель. — Вот,
например, Хлор — желто-зеленый газ с резким
удушливым запахом. При этом он сильно ядовит.
Отрицательные ионы Хлора — совсем другая вещь. Они
181
могут участвовать в сооружении кристаллической
решетки или находятся в водном растворе. Водный
раствор поваренной соли, который содержит в себе
ионы Хлора, не ядовит и используется людьми как
приправа к пище. А вот другой пример: Водород —
легкоподвижный газ, без вкуса, без цвета и без
запаха, а ионы Водорода придают кислый вкус водному
раствору, в котором они содержатся, и изменяют цвет
например лакмусовой бумажки. Так что сходства
между вашими свойствами и свойствами ваших ионов
почти не существует. Конечно, никто не может
отрицать связи между вами, атомами, и вашими ионами.
Ведь ионы получаются из нейтральных атомов. И в
то же самое время большая часть
электронейтральных атомов получается из ионов путем таких
взаимодействий, которые приводят к нейтрализации их
заряда!
— Я не совсем ясно представляю, как нужно
поступать, когда наши наружные электроны
высказывают какие-либо претензии, — отозвался Водород.—
Всегда ли нужно поступать, как Хлор и Литий,
удовлетворять их капризы и передавать их друг другу.
Насколько я понимаю, после такой отдачи и
принятия электронов между Литием и Хлором возникла
такая крепкая связь, что они уже не могут
существовать друг без друга.
— Ты очень правильно уловил сущность этого
процесса, — поддержал его учитель. — ПОСЛЕ
ОБМЕНА ЭЛЕКТРОНАМИ МЕЖДУ АТОМАМИ ДВУХ
ЭЛЕМЕНТОВ ВОЗНИКАЮТ СИЛЫ
ПРИТЯЖЕНИЯ, ДРУГИМИ СЛОВАМИ, СОЗДАЕТСЯ СВЯЗЬ,
ОЧЕНЬ ПРОЧНАЯ, КОТОРУЮ УЧЕНЫЕ
НАЗЫВАЮТ
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Еще в прошлый раз я вам говорил, что существует
наука, довольно близкая к вашей дипломатии. Ее
называют химией. Не могу сказать, что любопытство
со стороны ученых этично, но их очень интересуют
ваши отношения. Им известно, кто с кем в добрых
отношениях, кто кому отдает свои электроны или
равнодушно показывает спину. Они очень хорошо
182
знают, как вас «поссорить» и как «помирить». И
всему этому научила их химия.
Вот, например, случай, который нам рассказал
Литий. Это старая-престарая история. Она
повторялась бесконечное множество раз и повторяется
всегда при встрече Лития и Хлора. Повторяется она и
между атомами ряда других элементов. А ученым не
нужно повторять одно и то же по многу раз, чтобы
они это заметили. Они очень любопытны. Еще в
начале XX века Вальтер Коссель раскрыл сущность
этих переходов электронов от одних атомов к другим.
Не знаю, подслушал ли он разговор Лития с Хлором
или сам догадался, но в созданной им теории о
сущности химической связи высказаны такие же
соображения, какие приводил нам Литий, когда я его
спрашивал.
Согласно Косселю, атомы стремятся получить
завершенные электронные конфигурации инертных
благородных газов. Чтобы добиться этого, им приходится
разменивать свои электроны. И, как часто случается
в жизни, «те, которые имеют меньше, отдают тем, кто
имеет больше». В сущности, такое решение вопроса
вполне во вкусе двух взаимодействующих атомов.
Легко отдать один электрон, когда он
один-единственный во внешнем электронном слое. Труднее
отдавать два электрона. После потери первого
электрона положительные заряды в атоме преобладают
над отрицательными. Поэтому второму электрону
будет труднее отрываться от положительно
заряженного атомного остатка. Еще труднее будет сделать
это третьему электрону. Именно поэтому те атомы,
которые имеют в своем внешнем слое большое число
электронов, предпочитают завершать свою
электронную конфигурацию путем присоединения одного или
двух чужих электронов, вместо того чтобы браться за
такую тяжелую работу и отдавать свои собственные
электроны. Эти же соображения играют большую
Вальтер Коссель (1888—1956) свойств ионных соединений.
— немецкий физик. Значитель- В 1919 г. открыл закон спек-
ными являются его теоретиче- троскопического смещения. Кос-
ские исследования, приведшие сель исследовал также дифрак-
к созданию теории гетеропо- цию и интерференцию рент-
лярных связей и к объяснению геновских лучей и электронов.
183
роль и при присоединении электронов. Первый
электрон принимается сравнительно легко. Но второй...
второй принимается «с прохладцей, про запас». Он
притягивается атомом, у которого отрицательный
заряд уже преобладает над положительным. Третий
электрон принять будет еще труднее и т. д. Поэтому
позиция атомов ясна — они согласны при
взаимодействии отдавать или принимать электроны, но их
число не должно быть очень большим. Поэтому металлы,
например, которые имеют небольшое число
электронов во внешнем слое, с удовольствием отдают один,
два или три электрона, так как при этом приобретают
электронную конфигурацию благородных газов.
Неметаллы, наоборот, склонны принять недостающие
электроны. В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭТОГО ОБМЕНА
ЭЛЕКТРОНАМИ
АТОМЫ СТАНОВЯТСЯ ИОНАМИ
Ионы притягиваются друг к другу по законам
электростатики и образуют химические соединения,
в которых частицы связаны ионной связью. Название
очень удачное: раз связь между ионами, то и
называется она ионной связью.
Так в химии было принято представление Косселя
о химических связях между атомами химических
элементов. При встрече двух атомов с разной
электроотрицательностью, тот, который имеет большую
электроотрицательность, т. е. легче принимает и труднее
отдает электроны, будет получать электроны от атома
с меньшей электроотрицательностью.
Образовавшиеся ионы будут притягиваться.
— Но я все еще не понимаю, всегда ли нужно
отдавать свои электроны, если им этого хочется, —
пожаловался Водород. — Как нужно поступать, чтобы
не подорвать свой авторитет?
Учитель улыбнулся. «Смотрите, Водород
беспокоится о своем авторитете! Но вопрос его пришелся
ко времени».
— А ты не отдавай его, если тебе его жаль, —
пошутил товарищ Стоянов. — Конечно, не стоит
поступать, как все, по шаблону. Это не в духе дипломатии.
184
Этот вопрос нужно решать в зависимости от
обстоятельств, учитывая, насколько вам нравится партнер,
который предлагает вам химическое взаимодействие.
Вот если мы поставим тебя, Водород, на место
Лития? У тебя только один электрон во внешнем
электронном слое и ты согласен его отдать. Навстречу
тебе идет Хлор и предлагает тебе: «Твой электрон
замучил тебя своим беспокойным характером. Отдай
его мне, подумай о своем спокойствии». Как ты
поступишь?
— Как я поступлю? — заважничал Водород.—
Я ничего ему не дам. Этот Хлор ненасытен! Ему мало
семи электронов, он хочет взять еще и мой. Нет, этого
не будет!..
— Подумай хорошенько, — начал уговаривать его
учитель. — Самое простое — повернуться спиной и
разыграть роль оскорбленного благородства. А
потом, твой электрон не дает тебе покоя.
— Нет, я его не отдам, — упорствовал Водород.—
Самое большее, если соглашусь, так отдать...
наполовину...
МОЙ ЭЛЕКТРОН
БУДЕТ У МЕНЯ НА ГЛАЗАХ
ЧТОБЫ МЫ С ХЛОРОМ РАДОВАЛИСЬ ЕМУ
ВМЕСТЕ, — ПРОДОЛЖАЛ ВОДОРОД, — ЧТОБЫ Я
ВСЕГДА ЕГО ВИДЕЛ И МОГ ЕГО ВЕРНУТЬ
ДОМОЙ, ЕСЛИ ЗАХОЧУ.
— Вот ты уже начинаешь отступать, — улыбнулся
учитель. — И еще отступишь!
— Но я ничего не делаю безвозмездно, — не
сдавался Водород. — Я предложу ему так: я отдам свой
электрон и он, Хлор, отдаст одного из своих семерых
электронов. И этими двумя электронами мы будем
обладать вместе. Они будут вращаться и около меня
и около него. И волки сыты, и овцы целы! Тогда у
него будет восемь электронов, и он получит
устойчивую конфигурацию благородного газа Аргона. А у
меня будет два электрона, и я стану похожим на
Гелий.
— Я согласен, — отозвался Хлор с другого конца
185
класса. — Один электрон мой и один — твой. Так мы
не превратимся в ионы.
Учитель был доволен. Его ученики уже проявляли
дипломатическую хватку.
— Да, ты предложил соломоново решение,—
обернулся он к Водороду. — Хороший пример в
дипломатической игре всегда оказывает положительное
влияние. Только... берегись Хлора! Он очень
агрессивен. Видишь, недаром он сразу согласился с твоим
предложением! Теперь я расскажу тебе, как ты все
это осуществишь. Ты отдашь свой электрон. И Хлор
отдаст один из своих электронов. Получится общая
электронная пара. В сущности, образование общей
электронной пары представляет собой перекрывание
двух электронных облаков — облака твоего электрона
и облака электрона, предложенного Хлором. Таким
образом, каждый из этих двух электронов получит
право двигаться в одном очень большом электронном
облаке, которое будет окружать два ядра.
— Это очень интересно, — прервала учителя
Ртуть. — Но тогда эти два электрона должны
непременно иметь разный спин. Необходимо, чтобы они
вращались в разные стороны. Ведь в одном
электронном облаке могут двигаться только два электрона,
отличающиеся друг от друга по своему спиновому
числу s.
— Отлично! — не смог удержать своей радости
учитель. — Это, конечно, обязательное условие для
образования общей электронной пары из двух
электронов. Они должны непременно иметь
противоположный спин. Но пока об этом хватит... Ты меня
прервала... Да, — теперь учитель снова повернулся к
Водороду,— электронная пара начнет двигаться вокруг
вас обоих — вокруг тебя и Хлора. Но очень скоро ты
заметишь, что твой электрон предпочитает подолгу
задерживаться около Хлора. Правда, иногда он
будет проходить и мимо тебя, но большую часть
времени он будет находиться с другой стороны, около
ядра Хлора. Электронное облако начнет
деформироваться так, что большая его часть будет около ядра
твоего соседа. Выходит, что с Хлором, как с
собственником, не может быть равноправия. ХЛОР
БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬ СВОЮ СИЛУ.
186
полярная связь и ...право сильного
— А я и не заставляю эту пару электронов все
время вращаться около моего ядра, — ответил
Водород.— Для меня важно только, чтобы они время от
времени проходили мимо и я бы знал, что имею
право на них, а если захочу, смогу забрать свой электрон
обратно.
— Видишь ли, этого не может произойти, —
покачал головой учитель. — Законы дипломатии не
разрешают поступать так: на тебе твой электрон, отдай
мне мой. Если уж ты установил дипломатические
отношения с Хлором, это дело серьезное. Это означает,
что ты подписал договор, создал с ним связь! И эта
связь не менее прочная и серьезная, чем ионная, о
которой мы говорили до этого. Ученые называют ее
полярной связью, потому что общая электронная
пара, подолгу оставаясь около ядра Хлора,
способствует образованию двух полюсов. Таким образом,—
обратился учитель к классу, — какое-то время вокруг
Хлора будут преобладать отрицательные заряды, а
около ядра Водорода — положительные. Короче
говоря, будет наблюдаться два центра электричества —
положительного около Водорода и отрицательного
около Хлора. Эти центры не могут совпадать и будут
находиться на определенном расстоянии друг от
Джильберт Ньютон Льюис
(1875—1946) — американский
физикохимик. Член
Национальной Академии наук, почетный
член Академии наук СССР. В
1896 г. окончил Гарвардский
университет. В 1901 г.
работал у Вильгельма
Оствальда в Лейпциге. Позже занимал
должность профессора в ряде
университетов США.
Работы его относятся
главным образом к области
химической термодинамики и
теории строения вещества. Льюис
ввел чрезвычайно важные
понятия активности и летучести,
которые сделали зависимости
термодинамики для идеальных
условий приложимыми и к
реальным системам. Особой
заслугой Льюиса является
развитие электронной теории
химических связей, по которой го-
меополярная связь
объясняется существованием
электронных пар. Впервые эта теория
была подробно изложена в
его монографии «Валентность
и строение атомов и молекул»,
вышедшей в 1923 г. Льюис
первым получил тяжелую
воду и тяжелый водород. Его
ученик — Глен Сиборг — один
из талантливейших ученых в
области искусственного
получения трансурановых
элементов.
187
друга. Молекула полученного соединения будет иметь
два полюса. Такие молекулы называются диполями,
а сама связь называется полярной связью.
— И ваш случай, — снова обернулся учитель к
Водороду и Хлору,—давно известен людям. Почти
одновременно с Косселем американский ученый
Джильберт Льюис создал еще одну теорию,
объясняющую химические связи. Его представления были
разнообразнее. Он принимал во внимание, что не
каждый атом согласен добровольно отдавать свои
электроны, как, например, Литий, и участвовать в
образовании ионных связей. Льюис не так категоричен и
бескомпромиссен в своих представлениях о
химических связях. Он считает, что в основе всех ваших
интересов лежит стремление атомов приобрести
завершенную электронную конфигурацию инертных газов.
И осуществление ваших стремлений может
происходить мирным путем. Один партнер отдает один
электрон, другой, следуя его примеру, добавляет еще один
электрон. Так образуется общая электронная пара,
которая двигается вокруг двух ядер. Если оба
взаимодействующих атома принадлежат к сходным по
свойствам элементам, если эти элементы близки по своей
электроотрицательности, тогда атомы по-честному
распределяют между собой электронную пару. Она будет
равномерно задерживаться и у того, и у другого
атома, участвующего во взаимодействии.
Знаете, что произойдет, если к примеру,
встретятся два атома Хлора? Один мечтает получить электрон,
другой исподтишка приглядывается к внешней
электронной оболочке соседа. Ведь оба они имеют по
семь электронов во внешнем слое. Как же атомам
Хлора перехитрить друг друга? В сущности, зачем
хитрить? Гораздо разумнее коллективизироваться.
Они отдадут по одному электрону, создадут общую
электронную пару и таким образом оба атома Хлора
будут довольны — у каждого будет по восемь
электронов во внешнем слое. И уж раз они заключили
соглашение, то не будут делать даже попыток
обмануть друг друга. Оба электрона будут действительно
«в общем пользовании». Вот еще один пример
соломонова решения. Образованную таким путем связь
Льюис назвал неполярной.
188
ТЕПЕРЬ ОБОБЩИМ
— СКАЗАЛ УЧИТЕЛЬ СТОЯНОВ. —При встрече с
атомами других химических элементов нужно
установить с ними серьезные дипломатические отношения
и создать прочные химические связи. Эти связи
выражаются в перекрывании электронных облаков
некоторых внешних электронов. Если партнер не очень
отличается от вас по своему характеру, то
образовавшееся новое электронное облако равномерно
распределится между двумя ядрами. Оба электрона — ваш
и его — будут принадлежать вам обоим. Так с
помощью электронной пары создается неполярная связь.
Если атом, который вам повстречался, очень
заинтересован в электроне или если он согласен отдать
электрон в ваше распоряжение, не ссорьтесь. В этом
случае электронная пара будет чаще находиться или
около его ядра или около вашего. Пусть электроны
остаются там, где им удобнее. Таким образом
возникает полярная связь. Полярная и неполярная связи
часто объединяются под одним из названий — гомео-
полярная, ковалентная или еще атомная связь.
В том случае, когда ваш партнер резко отличается
от вас по темпераменту,'т. е. по
электроотрицательности, вы можете полностью отдать ему электрон.
Если же это не совпадает с его желаниями и
возможностями, вы можете полностью забрать себе этот
электрон. Тогда образуется ионная связь или, как ее
еще называют, гетерополярная (валентная) связь.
— А можно спросить еще? — отозвался атом
Серы. — У меня, как известно, шесть электронов во
внешнем слое. Какие отношения у меня могут быть
■с другими атомами? Чтобы у меня стало восемь
электронов, как у Аргона, мне нужно получить еще два
электрона. Встречу я, например, атом Водорода и
скажу ему: «Слушай, Водород! Мне необходимы два
электрона. Отдай мне твой!» А откуда он возьмет
два электрона, когда у него имеется только один.
Выходит, что я не могу установить с ним
дипломатические отношения. Так?
— Не совсем так, — ответил учитель. — Каждый
атом Водорода имеет только один электрон. Но что
тебе мешает прибегнуть к услугам двух атомов
189
Водорода? Каждый из них даст тебе по одному
электрону, ты тоже отдашь два электрона — и связь
готова.
— Но в этом случае образуется не одна
электронная пара. Мне нужно будет осуществить две
химических связи с двумя разными атомами Водорода.
— Правильно, — подтвердил учитель. — И в этом
нет ничего трудного. Некоторые из атомов могут
создавать по шесть, семь и восемь химических связей
одновременно и даже с разными атомами. Это не
должно вас смущать.
— А не могу ли и я участвовать в создании
шести, семи и восьми химических связей
одновременно?— спросил Водород. — Мне бы очень хотелось
иметь много различных связей. Это было бы очень
интересно.
— Нет, ты не можешь, — покачал головой
учитель. — У тебя только один электрон, и с ним ты
можешь участвовать в создании только одной
электронной пары.
— А как узнать тогда, кто сколько связей может
установить? — продолжал Водород. — Я имею в виду,
что дело не только в добром желании.
— Надо знать, сколько электронов во внешней
оболочке способны создавать электронные пары или,
как еще говорят, сколько имеется валентных
электронов. Что это за валентные электроны? Обычно это
те электроны, без которых ваш внешний слой имел
бы устойчивую конфигурацию «благородных». У
некоторых атомов это электроны из внешнего
электронного слоя. Вот, например, атом Алюминия. В своем
последнем слое он имеет три электрона. Если он их
отдаст для создания электронных пар, то покажется
более внутренний слой, который имеет восемь
электронов и является устойчивым. Поэтому Алюминий
имеет три валентных электрона. А у других атомов
валентные электроны находятся не только во
внешнем слое. Вот Марганец: в его наружном слое только
два электрона. Если мы их уберем, покажется
предпоследний слой, который имеет тринадцать
электронов. Очевидно, что этот слой не заполнен и потому
не устойчив. Он приобрел бы устойчивость, если бы
был завершен или в нем бы осталось только восемь
190
электронов и электронная конфигурация атома стала
такой же, как у Аргона. Это означает, что к
имеющимся во внешнем электронном слое двум
электронам нужно прибавить еще пять из предпоследнего
слоя. Тогда мы можем смело утверждать, что
Марганец имеет семь валентных электронов и может
осуществить семь химических связей. Запишите себе и
хорошенько запомните. Валентные электроны
находятся не только во внешнем слое, часто их нужно
разыскивать и в предпоследнем слое. Так получается
с теми атомами, у которых этот предпоследний слой
не завершен и не устойчив.
Теперь понятно, как можно ответить на вопрос
Водорода? А это очень серьезный вопрос. Всегда
интересно знать, кто из вас и в скольких связях может
участвовать. Это характерно для каждого атома.
Ученые даже создали количественную меру ваших
возможностей в этом направлении. Они назвали ее
валентностью. Если элемент может образовывать
только одну связь — он одновалентен, если он участвует
в двух связях — двухвалентен...
— Подождите-подождите, — заволновался
Марганец.— А я, имея семь валентных электронов, всегда
должен создавать семь связей? Нельзя ли так... про
запас зарезервировать несколько электронов и в
некоторых случаях проявлять низшую валентность?
— Конечно, можно, — успокоил его учитель. —
Валентность— свойство, которое проявляется в ходе
вашего взаимодействия, общения друг с другом и
зависит от условий, в которых вы находитесь. Вы будете
договариваться со своими партнерами. Сколько
связей образовать — это ваше дело. Их может быть одна,
две, три, ... но ни в коем случае не больше числа
ваших валентных электронов.
— В таком случае нельзя ответить прямо на
вопрос, какую валентность имею я, например, —
продолжал Марганец.
— Да, так общо вопрос нельзя поставить. Для
элементов вроде тебя, которые проявляют
переменную валентность, нужно всегда указывать, какова их
валентность в том или другом соединении, как они
ее изменяют при взаимодействиях с другими
элементами.
191
ВАЛЕНТНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ НАХОДЯТСЯ НЕ ТОЛЬКО ВО
ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРОННОМ СЛОЕ, НО И В ПРЕДПОСЛЕДНЕМ,
ЕСЛИ ОН НЕ ЗАВЕРШЕН
ЯДРО
Ы
— У нас работа полегче, — заметил Франций.—
Все мы, кто сидит здесь, около стены, — и Цезий, и
Рубидий, и Натрий, и Литий, — имеем только по
одному электрону и проявляем только одну валентность
в своих отношениях с другими элементами.
— Да, у вас работа попроще. У вас одинаковое
строение электронного слоя и поэтому вы образуете
одно большое семейство — семейство щелочных
металлов. А раз у вас похожая электронная
конфигурация, то похожи и ваши вкусы, наклонности и
особенности. Одинаковым будет и ваше отношение к
атомам других элементов, сходными будут и связи,
которые вы создаете, и соединения, которые вы
образуете. Вот и сейчас здесь, в классе, вы уселись один
за другим вдоль стены. В сущности, эти места вы
выбрали себе не сами. Так вас разместили еще в
первом классе, и сделано это по предписанию
ученых.
Уже известный вам Дмитрий Иванович Менделеев
установил, что если расположить химические
элементы в порядке возрастания их атомного веса, то
наблюдается интересная закономерность: свойства
химических элементов окажутся в периодической
зависимости от их атомного веса. В то время Менделеев
почти ничего не знал о вашем внутреннем строении.
Ему не было известно, что именно те элементы,
которые обладают близкими свойствами, имеют
сходную электронную структуру. Иначе он легко пришел
бы к выводу, что раз в строении электронного слоя
наблюдается определенная периодичность, то она
должна быть и в свойствах элементов. Но Менделеев
открыл периодический закон, не зная строения
атомов, и таким образом совершил научный подвиг. Он
разместил все элементы в своей знаменитой
периодической таблице. Эта таблица напоминает план
нашего класса. Периодическая таблица Менделеева
имеет восемь столбцов. Над первым Менделеев
написал: «Первая группа» — и поставил в ряд один под
другим элементы от Водорода до Франция
включительно (точнее, до Цезия, так как Франций в то
время еще не был известен).
Немного правее, но в той же группе, он определил
места для Меди, Серебра и Золота. Над ними не стояло
7 Зака 52Э
193
никакой надписи, но Менделеев объяснил, что
первая группа имеет две подгруппы — главную, которую
образуют щелочные металлы, и вторую подгруппу, в
которой находятся Медь, Серебро и Золото.
Соседняя графа была обозначена как «Вторая
группа». Здесь заняли места Бериллий, Магний,
Кальций, Стронций, Барий и Радий, которые образовали
главную подгруппу, а Цинк, Кадмий и Ртуть
разместились во второй подгруппе.
Так Дмитрий Иванович Менделеев дошел до
восьмой группы, в которой разместил всех вас, — и
учитель показал на задние ряды, где сидели Железо,
Платина и все их приятели.
Определив ваши места, Менделеев совершил
гениальное открытие. Он сделал и ряд других важных
научных открытий, но мы не будем сейчас вдаваться
в подробности. Об этом мы поговорим в
следующий раз.
А сейчас важно одно. Важно знать, что места, на
которых вы сидите, выбраны не случайно и
соответствуют вашей электронной конфигурации. Если вы
встанете в ряд один за другим, то образуете группы
со сходными электронными структурами. А если у
вас сходные структуры, то сходными будут, как мы
уже говорили, и ваши желания, и возможности, и
темперамент, и дипломатические способности, или,
как говорят люди, сходными будут и ваши
свойства.
— А как же мы встанем один за другим? —
отозвался из предпоследнего ряда Празеодим. — Нас
здесь четырнадцать, а групп восемь. Кто из нас в
какой группе должен быть?
— Вы все — команда молодцов, — пошутил
учитель. — Ты не усвоил, видимо, из урока анатомий, что
у вас два внешних электронных слоя одинаковы и что
вы различаетесь только по числу электронов в своем
предпоследнем слое. А где обычно находятся
валентные электроны? В последнем или, самое большое, в
предпоследнем слое. Значит, все вы имеете одно и
то же число валентных электронов, а следовательно,
почти одинаковые характеры и очень сходные
свойства. И поскольку у вас по три валентных электрона,
194
ваше место в третьей группе. Ваше место там, где
сейчас сидит Лантан. Там следовало посадить вас
всех. Но это очень трудно осуществить. Поэтому вас
и посадили в задний ряд, но вы должны знать своих
родственников и не надеяться незаметно попасть в
другую группу.
— А где место Водорода? — спросил Фтор.—Он
как будто не совсем доволен размещением,
сделанным Менделеевым. То встанет перед Литием, то
устроится передо мной. Нужно ему раз и навсегда
выяснить, где его место — в первой группе или у нас
в седьмой.
— Случай с Водородом несколько необычен, —
начал объяснять учитель. — Он, как говорится, имеет
законное право на две квартиры. У Водорода всего
один электрон и поэтому по своей электронной
структуре он похож на щелочные металлы. Подобно им,
он может установить дипломатические отношения с
Хлором, Бромом, Фтором, Серой и проявлять
одновалентность. Поэтому ему вполне подходит место в
группе щелочных металлов. Но в то же время
Водороду не хватает только одного электрона, чтобы
получить завершенную электронную конфигурацию
Гелия. Поэтому он похож на Хлор, Фтор, Бром и Иод,
которым тоже не хватает одного электрона, чтобы
приобрести структуру благородного газа,
находящегося перед ними. В этом случае Водород похож на
галогены. И действительно, он взаимодействует со
щелочными и щелочноземельными металлами,
образуя соединения, сходные с соответствующими
бромидами, хлоридами и т. д. Это означает, что место
водорода здесь, в седьмой группе периодической таблицы,
вполне законно. Поэтому не смотрите косо на его
непостоянство— такова уж его электронная структура.
— А теперь я вам дам несколько указаний о тех
направлениях, в которых вам нужно создавать связи
между собой, — переменил тему товарищ Стоянов.—
Как я уже говорил, необходимо, чтобы электронные
облака ваших валентных электронов перекрывались
электронными облаками ваших партнеров. А из
анатомии вы знаете, что электронные облака направлены
в пространстве не произвольно, а определенным
7*
195
образом ориентированы. Как вы думаете, что из этого
следует?
Отозвался Кислород: «ЭТО ОЗНАЧАЕТ, ЧТО
И ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ИМЕЮТ ОРИЕНТАЦИЮ
Нужно только знать, какие электроны — валентные.
Если это 5-электроны, то их облака сферической
формы, если р-электроны, то формы гантелей и
направлены по трем взаимно перпендикулярным осям».
— Мой валентный электрон является s-электро-
ном, — вмешался Водород, — так что мне все равно,
с какой стороны будет перекрываться облако моего
электрона с электронным облаком чужого атома. А у
тебя, Кислород, видно, дело потруднее. У тебя шесть
электронов, и как ты справляешься с таким
множеством облаков, не знаю!
— Это не так уж трудно, — заметил учитель. —
У Кислорода, действительно, шесть электронов во
внешнем слое, но четыре из них связаны в
электронные пары, потому что имеют противоположные спины.
Для внешних связей остается только два свободных
электрона, которые являются р-электронами. Как
направлены облака р-электронов?— Под прямым углом
друг к другу. Следовательно, Кислород в состоянии
создать две валентные связи, и они должны быть
расположены под углом 90° друг к другу.
Представьте теперь себе, что Кислород
встречается с Водородом. Один протянул два своих
электронных облака в двух взаимно перпендикулярных
направлениях, другой готов отдать свой единственный
5-электрон со сферическим электронным облаком.
И оба атома проникнуты желанием установить
прочные дипломатические отношения между собой. Но
Кислород двухвалентен, а Водород одновалентен.
Поэтому один атом Кислорода в состоянии вступить в
связь с двумя атомами Водорода и образовать
молекулу воды. И обе связи будут направлены в
пространстве под углом почти 90°: из-за того, что два
электронных облака отталкиваются, угол будет
немного больше. А что будет делать Азот, например,
если окажется на месте Кислорода? Встань, Азот! —*
196
ПЕРЕКРЫВАНИЕ ОБЛАКОВ ^-ЭЛЕКТРОНОВ ТРЕХ АТОМОВ
ВОДОРОДА И ОБЛАКОВ ТРЕХр-ЭЛЕКТРОНОВ АТОМА
АЗОТА В МОЛЕКУЛЕ АММИАКА
ПЕРЕКРЫВАНИЕ ОБЛАКОВ S-ЭЛЕКТРОНОВ ДВУХ АТОМОВ
ВОДОРОДА И ОБЛАКОВ ДВУХ /7-ЭЛЕКТРОНОВ АТОМА
КИСЛОРОДА В МОЛЕКУЛЕ ВОДЫ
i97
и учитель кивнул Азоту, который увлекся расчетами
и не сразу сообразил, что это его спрашивают.
— Что я буду делать? — заговорил он. — Что ж
делать? Буду устанавливать дипломатические
отношения. Без связей нельзя! Это старая истина. Я,
например, готов создавать связи во всех направлениях
пространства. Ведь у меня три свободных р-электро-
на. Их облака направлены по трем взаимно
перпендикулярным направлениям. Я могу осуществить три
связи и все они будут направлены под углом 90° друг
к другу. Водороду я скажу: «Хочешь объединиться
со мной? Хорошо! Не имею ничего против. Только
ты намного меньше меня. Я могу образовать связи с
тремя такими атомами, как ты. Сходи, приведи еще
двух своих приятелей и тогда мы наладим работу».
После этого мы перекроем слегка свои электронные
облака, и связи готовы! Получится такая фигура...
как бы сказать... Да! Образуется трехугольная
пирамида. Я буду стоять на вершине, а на остальных
углах у основания на одинаковом расстоянии от меня
будут располагаться три атома Водорода.
— Да, так выглядит ваше соединение. И
называется оно аммиак. Это очень важное вещество, и его
молекула действительно имеет такую
пространственную структуру, какую нарисовал нам Азот. Только
и здесь углы, которые образуются между отдельными
валентными связями, будут немного больше 90°.
— А теперь, встань-ка ты, Углерод! Попытайся
ответить и ты на этот же вопрос. Что бы ты сделал,
если оказался на месте Кислорода или Азота при
встрече с Водородом?
Углерод встал. Он все время внимательно слушал,
но чувствовал, что не сможет ответить на этот вопрос
правильно. «Что делать при встрече с Водородом?
Нужно вступить с ним в связь — это ясно, но как?
У меня четыре свободных валентных электрона, но
беда в том, что они не одинаковые. Точнее, электроны
одинаковые, но они различаются по своей энергии —
три являются р-электронами, а один — s-электрон.
Кислороду и Азоту просто. Их работа ясна. А я?!
Куда направить мне свои четыре валентные связи?
Но нужно что-то отвечать». И Углерод начал:
198
— Если только Водород захочет, я готов
образовать с ним связь. Для моих четырех электронов
необходимы четыре атома Водорода. С ними мы
договоримся таким образом: я, как самый главный, буду
стоять у вершины трехугольной пирамиды, точно так
же, как это делает Азот в ам?лиаке. Три атома
Водорода расположатся подо мной в вершинах трек-
угольного основания пирамиды. Их я свяжу с моими
свободными /7-электронами. А четвертому атому
Водорода нужно забраться повыше. Его электронное
облако будет перекрываться с электронным облаком
моего свободного s-электрона. Ведь у него тоже
сферическая форма? Так что моя фигура станет еще
внушительнее, чем у Азота. Соединение, которое мы
образуем с Водородом, будет значительно красивее по
структуре и наверняка важнее, чем аммиак.
Учитель кивнул. Он был явно доволен, но по
выражению его лица было также видно, что Углерод в
чем-то ошибся. Да и как не быть довольным, когда
ученик рассуждает правильно и доказывает этим, что
хорошо понял все объяснения учителя.
Действительно, дело обстояло так, как говорил Углерод. Но не
мог же он знать все то, чего еще не объяснял
учитель. И учитель начал снова рассказывать.
— Рассуждаешь ты правильно, но твоя модель
молекулы метана, соединения, которое получается при
взаимодействии одного атома Углерода с четырьмя
атомами Водорода, будет выглядеть иначе. Ты себе
не представляешь, как хитры твои электроны. Когда
они занимали места в твоей электронной оболочке,
они были послушны и занимали те энергетические
уровни, которые им полагались. Поэтому у тебя три
/7-электрона и один s-электрон. Но когда электроны
открыли возможность заглянуть за твою электронную
оболочку, когда они узнали, что могут заключать
союзы с чужими электронами и образовывать новые
связи, то они забыли о своих различиях и каждый
стал стремиться быть первым. До ссор у них не
доходит, потому что все вопросы они решают между
собой по справедливости. s-Электрон обладает
меньшей энергией, чем р-электроны, но они не бросают
своего приятеля в беде. Они собираются вчетвером,
199
МЕТАН СИ
крепко берутся за руки и решают: «Что имеем, будет
общим!» И так снова перераспределяют энергию
между собой, что с этого момента уже нет s-элек-
трона и р-электронов, а имеются гибридные
электроны.
Несколько странно говорить здесь, на уроке
дипломатии, о гибридизации. Ведь это не ботаника, не
зоотехника. В данном случае гибридизация
уничтожает существенные различия между валентными
электронами. Это приводит к изменению и их
электронных облаков. Теперь у Углерода будет четыре
валентных электрона с совершенно одинаковыми
электронными облаками. Какая у них будет форма?
Некая деформированная гантель. При этом эти
электронные облака будут направлены к вершинам
правильного тетраэдра, в центре которого находится
ядро атома Углерода. Вы знаете, что такое тетраэдр?
Это тоже трехугольная пирамида, но пирамида, у
которой и основание и все стороны представлены
равносторонними треугольниками.
Теперь уже можно представить, как будет
выглядеть молекула метана. Это самый обыкновенный
тетраэдр. На вершинах его сидят атомы Водорода, а
Углерод скрылся внутри этого тетраэдра. Не так
громоздко, как предполагал Углерод, но все же
выглядит неплохо.— И учитель поставил перед собой
макет молекулы метана, на котором все увидели
расположение атомов Углерода и Водорода.
— А можно теперь я задам вам один вопрос? —
спросил Углерод, как только учитель закончил
объяснение.— Всегда ли нужно стремиться к
образованию связей с другими элементами? Нельзя ли так:
некоторые из возможных связей оставить для
соединения с атомами нашего же семейства? Мы очень
дружны и часто сцепляемся по несколько штук
вместе. Тогда какой-нибудь атом Углерода может
оказаться между двумя, тремя или четырьмя атомами
Углерода. В этом случае между нами образуется по
две, три и даже по четыре связи. А иногда между
двумя отдельными атомами Углерода образуется по
две или три связи. В таком случае, как будут
перекрываться наши электронные облака? Ведь они не
находятся в одной плоскости, а, как вы говорили,
201
направлены к вершинам тетраэдра. Полученная
двойная связь означает, что произошло перекрывание
двух электронных облаков у двух атомов Углерода.
По-моему, это очень сложная задача.
— Да, это довольно сложно, — согласился
учитель, — но не невозможно. Два электронных облака
перекрываются, как обычно, вот так, — и учитель
нарисовал на доске две гантели, которые частично
находили друг на друга своими вершинами. — Эти два
облака находятся в одной плоскости, так, как я их
расположил, в плоскости доски. Других двух облаков
в этой плоскости нет. Они перекрываются в другой
плоскости, которая образует определенный угол с
плоскостью доски. — Учитель нарисовал еще две
гантели, которые перекрывались с боков. — Как видите,
это два различных способа перекрывания облаков.
А значит, и связи здесь будут двух различных типов.
В первом случае это сигма-связь (а-связь), а во
втором—пи-связь (я-связь).
Между двумя атомами Углерода может
существовать только одна а-связь. Остальные одна или две
связи будут непременно я-связями. Понятно? В то же
время нужно знать, что я-связи значительно
неустойчивее, слабее а-связей, я-связи легко разрушаются
и дают возможность новым атомам и молекулам
присоединяться к веществу, обладавшему этими связями.
Поэтому о таких соединениях говорят, что они имеют
ненасыщенный характер.
Оставалось еще несколько минут до конца урока,
и учитель обратился к классу.
— Кто еще хочет спросить что-нибудь?
Слово взял атом Платины. Он медленно встал и
спокойно задал свой вопрос.
— Это все виды связей, которые мы можем
устанавливать с другими атомами? И этим
исчерпываются наши дипломатические отношения?
Учитель улыбнулся.
— Ты очень спешишь. Дипломатия не только
сложная, но и большая наука. Нужно быть очень
гибким — легко ориентироваться, избегать шаблона,
не работать по готовым рецептам. Понятно, что такая
наука не кончается на этом.
202
СВЯЗИ МЕЖДУ ДВУМЯ АТОМАМИ УГЛЕРОДА В МОЛЕКУЛЕ
ЭТИЛЕНА ОСУЩЕСТВЛЯЮТСЯ ПЕРЕКРЫВАНИЕМ ДВУХ ОБ*
ЛАКОВ ПО ОСИ МОЛЕКУЛЫ (СГ-СВЯЗЬ) И БОКОВЫМ
ПЕРЕКРЫВАНИЕМ ДВУХ ДРУГИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБЛАКОВ
(ЛГ-СВЯЗЬ)
Я-СВЯЗЬ
" ^%**>4
iii&y %■■■■•■ *
'.'•-*&
ЭТИЛЕН С2Н4
ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ АТОМАМИ
ОЧЕНЬ РАЗНООБРАЗНЫ
Потихоньку-полегоньку мы изучим их, и тогда вы
увидите, что можете создавать и другие химические
связи. Вот, например, как возникает так называемая
координационная связь. Встречаются наши старые
знакомые Азот и Водород. Но теперь они не
свободные атомы, они установили тройные дипломатические
отношения с другими атомами. Азот связан с тремя
атомами Водорода и находится в составе аммиака, а
Водород объединился с Хлором в молекуле
хлористого водорода. Азот имеет около себя три атома
Водорода, но он поглядывает на четвертый атом
Водорода, который мирно живет рядом с Хлором. «Почему
бы не позвать его к себе, — думает Азот. — Три
водородных атома меня не удовлетворяют... Вот...
четыре— это другое дело. Я создал бы ему самые
хорошие условия. Даже... даже отдам два своих
электрона для создания связи между нами». И это вполне
соответствует возможностям Азота. В его внешней
оболочке пять электронов. Три из них уже заняты
связями с тремя атомами Водорода. Остается еще
два электрона. Остается готовая электронная пара,
которую Азот теперь может использовать. И он
делает предложение Водороду. Водород согласен
покинуть атом Хлора, оставив там свой электрон, и
вступить в связь с атомом Азота. Ученые говорят, что
образовалась донорно-акцепторная связь. Азот был так
добр, что отдал в общее пользование готовую
электронную пару, он — донор. А Водород не отказался
от возможности участвовать в связи, созданной
чужими электронами, поэтому его называют в этом
случае акцептором.
Донорно-акцепторная связь отличается от
обыкновенной связи, о которой мы говорили до этого,
только по своему происхождению. Но после
образования эти связи неразличимы. Вот, например, в
предыдущем случае после соединения иона водорода с
молекулой аммиака образуется так называемый ион
аммония. В нем один атом Азота связан с четырьмя
атомами Водорода. И все четыре связи совершенно
равнозначны и никто уже не в состоянии сказать,
204
какие три связи были созданы еще в молекуле
аммиака, а какая была получена через донорно-акцеп-
торный механизм.
Уже звенел звонок. В последних рядах поднялся
шум. Некоторые начали убирать свои тетради.
Наконец, кончался и этот урок. По правде сказать, я
всегда радовался, слыша звонок, оповещавший о
конце занятий, даже когда учитель не спрашивал, а сам
рассказывал интересные вещи.
Класс быстро опустел. Сначала ушел товарищ
Стоянов, а за ним со скоростью стрел разлетелись в
разные стороны атомы. Даже «благородные»
задвигались, чтобы уйти. Это был последний урок.
Как жаль, что я не мог задать учителю свой
вопрос. А у меня есть вопрос. Он возник еще в середине
урока и не дает мне покоя. Но я его выясню: я
пойду утром к товарищу Стоянову и останусь в кабинете
химии после уроков. КОГДА УЧИТЕЛЬ ПРОВЕРИТ,
ХОРОШО ЛИ УБРАНА ЛАБОРАТОРИЯ, ВСЕ ЛИ
В ПОРЯДКЕ, КОГДА ОН ЗАДЕРНЕТ ШТОРЫ НА
ОКНАХ, ВЫКЛЮЧИТ ВЕНТИЛЯТОР И
СОБЕРЕТСЯ УХОДИТЬ, Я ПОДОЙДУ К НЕМУ И ЗАДАМ
ЕМУ
ВОПРОС ...О СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Все было точно так, как я предполагал. Кончился
последний урок химии. Ученики быстро покинули
кабинет и разошлись по домам. Только товарищ
Стоянов остался, чтобы окинуть взглядом приведенную в
порядок лабораторию. В этот момент я и подошел
к нему.
— Товарищ Стоянов, — обратился я к нему,—
вчера я был на ваших уроках в школе атомов. Очень
интересно было и на уроке анатомии и на уроке
дипломатии. Но мне кажется, что я не все понял. У
меня возник один вопрос, на который я никак не могу
найти нужного ответа. Если у вас есть немного
времени, может быть, вы объясните мне кое-что?
Учитель посмотрел на меня с интересом. Он не
был удивлен. Товарищ Стоянов был из тех
людей, которых ничто не удивляет. Он, вероятно,
205
совершенно спокойно принял бы и сообщение, что я
вчера был на Марсе и там слушал его лекции,
например... по космологии. Ему не было неприятно и
то, что я знаю о его работе в другой школе. Он ждал
вопроса.
— Конечно, у меня есть время и я буду рад, если
смогу тебе помочь.
— Я слушал вчера, как вы обучали атомы
дипломатическим уловкам, объясняли им, как нужно
поступать для установления связей, как образовывать
молекулы химических соединений. Но я не представляю
себе дальнейшей судьбы этих молекул. Вероятно, и
они взаимодействуют между собой. И что получается
в результате их взаимодействия? Ведь атомы, ионы и
молекулы составляют все вещества, которые нас
окружают, — и газы, и жидкости, и твердые тела.
В газах все просто. Там молекулы двигаются
беспорядочно, во все стороны. Мы это учили на уроках
физики. В газах молекулы почти свободны и слабо
взаимодействуют между собой благодаря так
называемым межмолекулярным, или вандерваальсовым,
силам *. В жидкостях молекулы двигаются
полусвободно и тоже слабо взаимодействуют, хотя расстояния
между ними здесь меньше и вандерваальсовы силы
значительно больше, чем в газах. Тем не менее, в
обоих случаях молекулы, «летающие» или
«плавающие», обладая всеми характерными для данного
вещества признаками, имеют свою полярность, связи
и т. д. Но когда я думаю о строении твердых тел, я
путаюсь. Как построены твердые тела? Расположены
ли их молекулы рядами одна за другой или одна над
другой? Они находятся очень близко друг к другу.
Что же, в твердых телах по этой причине не
происходит никаких изменений? Не влияет ли строение
твердых тел на связи между атомами, составляющими
эти тела?
Я бы вас просил, товарищ Стоянов, рассказать мне
о строении твердых тел. Несомненно, и им нужна
какая-то дипломатия и, вероятно, еще более тонкая и
* Слабые связи между молекулами названы по имени Яна
Дидерика Ван-дер-Ваальса (1837—1923), выдающегося
голландского физика, внесшего большой вклад в теорию газов и
жидкостей.
206
В ГАЗАХ МОЛЕКУЛЫ
ПОЧТИ СВОБОДНЫ,
В ЖИДКОСТЯХ —ПОЛУСВОБОДНЫ,
В ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВАХ
МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ
СТРОГО ОПРЕДЕЛЕНО
совершенная дипломатия. Может быть, здесь атомы
и молекулы должны учитывать интересы не одного,
а многих партнеров? Это именно и кажется мне очень
сложным.
— Вопрос твой интересный, — ободрил меня
учитель, — и отчасти я смогу ответить тебе на него.
Действительно, когда человек открыл сложное строение
вещества, он должен был последовательно
разобраться, как устроен атом, как из атомов образуются
молекулы, как расположены молекулы в веществе, когда
оно находится в твердом состоянии. Природа и
искусные руки человека-творца создали все то, что
окружает нас, породили это многообразие существующего
мира.
Свой ответ я разделю на две части. Прежде всего,
я познакомлю тебя со строением твердых тел, а
потом мы заглянем в кристаллы, чтобы посмотреть, как
совместно существуют наши общие знакомые —
атомы, ионы и электроны.
Ты, наверное, слышал, что частицы, которые
образуют твердые тела, располагаются в них не
произвольно, а составляют правильные геометрические
фигуры — кубы, октаэдры, тетраэдры и т. д. Это
удивительный мир — мир кристаллов, где всегда царит
идеальный порядок, где все размеренно и строго
определено, К сожалению, вы не изучаете науку о
кристаллах — кристаллографию, которая познакомила бы вас
с особенностями кристаллической структуры, с
различными типами кристаллических решеток. Это
большой вопрос, который сейчас я не буду затрагивать.
В данный момент нас интересует другое: какие
частицы составляют кристалл и что внутри кристаллической
решетки? С этой точки зрения, можно различить
четыре вида решеток. Первый вид — молекулярная
кристаллическая решетка...
«Узнаю тебя, товарищ Стоянов! Начал мне
объяснять как на уроке, — подумал я про себя. — Это не
так интересно, как в школе атомов. И со мной
обращается, как со взрослым учеником. Что ж, послушаю
его повнимательнее. Ведь сам задал вопрос!»
— Внутри этой решетки, — продолжал учитель,—
находятся молекулы вещества, из которых состоит
кристалл. Они расположены, как ты и предполагал,
208
Питер Дебай (1884—1966) —
голландский физик. Окончил
Высшую техническую школу в
Аахене и Мюнхенский
университет. С 1935 г. — профессор
Берлинского университета,
Член многих академий наук.
Дебай установил связь между
теплоемкостью тел и их
коэффициентом эластичности,
открыл зависимость
теплоемкости твердых тел от
абсолютной температуры. Он создал
теорию диэлектриков,
разработал метод и теорию
интерференции рентгеновских лучей в
кристаллическом порошке и
жидкости (метод Дебая — Ше-
рера). Важное значение имели
и его исследования в области
теории твердых тел.
одна за другой и одна над другой. Если молекулы
полярные, то они располагаются так, чтобы их
противоположно заряженные полюса были правильно
ориентированы друг к другу. Вот так.
И учитель нарисовал на доске несколько эллипсов,
плотно разместив их в два ряда и обозначив на их
концах плюсы и минусы.
— Но если молекулы неполярны, то такая
ориентация невозможна. Тем не менее, и тогда молекулы
будут располагаться рядами, как множество шариков
пинг-понга в коробке.
— А какие силы удерживают эти молекулы друг
около друга? — спросил я. — Ведь это все-таки
электронейтральные молекулы? Между ними могут
действовать только вандерваальсовы силы, а ведь они
очень слабы?
— Эти частицы, действительно, удерживаются на
месте только благодаря вандерваальсовым силам.
И так как они очень слабы, молекулярная
кристаллическая решетка этого типа легко разрушается.
Молекулярную решетку из неполярных молекул образуют
многие газы при своем переходе в состояние твердого
тела. Примером является азот, водород, кислород
и др. Эти газы переходят в жидкое и твердое
состояние при очень низкой температуре. Подвижность
209
газов настолько уменьшается, что даже слабые
межмолекулярные силы в состоянии удержать их в
границах кристаллической решетки. Если мы повысим
температуру, молекулы начнут бунтовать: они
преодолевают вандерваальсовы силы, разрушают
кристаллическую решетку — кристалл начинает «таять».
Если молекулы полярны, их связи будут несколько
крепче, но осуществляются они тоже лишь за счет
тех же слабых вандерваальсовых сил. Такими
решетками обладают большинство органических веществ,
которые, как известно, сравнительно легко
плавятся.
— Выходит, — я хотел доказать, что понял
объяснения учителя, — молекулярная решетка — это слабая
решетка. И молекулы сохраняют свои
индивидуальные особенности, остаются такими же, какими были
в газообразном состоянии.
— Почти сохраняют свои особенности, —
согласился учитель. — Поскольку существует все-таки
известное слабое взаимодействие, происходит и
некоторая дополнительная деформация полярных
молекул.
Второй тип кристаллической решетки, —
продолжал он, — значительно отличается от первого. Это
ионная кристаллическая решетка. У нее внутри
решетки находятся ионы. Возьмем, к примеру, решетку
хлорида натрия. Каждый ион натрия (учитель
нарисовал на доске круг со знаком плюс в середине)
окружен шестью ионами хлора (теперь на доске появились
новые круги). Один сверху, другой снизу... слева...
справа... по-одному спереди и сзади. То же самое
относится и к отрицательным ионам хлора. И они имеют
по шесть положительных соседей — ионов натрия.
Здесь уже, конечно, связь будет более крепкая. Эта
связь между разноименно заряженными частицами
осуществляется электростатическими силами,
подчиняющимися закону Кулона. Вещества, которые
обладают такими решетками, характеризуются высокими
температурами плавления. Ионную кристаллическую
решетку имеют почти все соли, некоторые окислы и
основания.
— А что же стало с молекулой хлорида натрия? —
прервал я учителя. — В этом лабиринте из ионов я не
210
МОЛЕКУЛЯРНАЯ
РЕШЕТКА
ИОННАЯ
РЕШЕТКА
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ
РЕШЕТКА
могу разобрать, какой ион натрия с каким ионом
хлора образует молекулу. Ведь каждый положительный
ион имеет по шесть отрицательных соседей. Как же
выбрать кого-то из них? Другие могут почувствовать
себя обиженными.
— Да, понятие молекулы здесь, действительно,
потеряло свой смысл. Ионы в кристаллической решетке
проявляют себя, как настоящие «дипломаты», — они
не отдают предпочтения никому из своих соседей и
находятся в хороших отношениях со всеми. Иначе и
не может быть. Если ион натрия понравится только
одному из отрицательных ионов, все другие
отвернутся от него, разорвут дипломатические отношения с
этим нетактичным ионом и решетка разрушится. Нет,
ионы знают дипломатию и такой ошибки не сделают.
Да и как выбрать кого-то из своих соседей, когда они
все совершенно одинаковы?
Так что при создании ионной кристаллической
решетки, — обобщил учитель, — молекулы прощаются
со своим самостоятельным существованием. Они
обезличиваются. Обезличиваются точно так же, как атомы,
когда они вступают во взаимодействие друг с другом
и образуют химическое соединение.
— Если существует ионная кристаллическая
решетка, — вновь вмешался я, — с ионными связями
между отдельными составляющими частицами, то нет ли
и такой решетки, у которой связи будут коваленг-
ными?
— Ты немножко спешишь со своим вопросом, —•
ответил товарищ Стоянов. — Есть такие решетки. Они
называются атомными решетками. Внутри атомной
решетки находятся электронейтральные атомы,
связанные крепкими ковалентными связями. Такая
решетка, например, у алмаза.
— Может быть, именно поэтому алмаз — очень
твердое вещество? А понятие молекулы, вероятно, и
здесь не имеет смысла, потому что и при этом типе
решетки все атомы должны поддерживать хорошие
отношения со всеми своими соседями. Ведь так?
Учитель кивнул. Потом он продолжил:
— И наконец, существует металлическая
кристаллическая решетка
212
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА АЛМАЗА
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА —
САМАЯ ИНТЕРЕСНАЯ
Внутри металлической кристаллической решетки
колеблются положительные ионы, а между ними
двигаются во всех направлениях свободные электроны.
Несмотря на то, что эти электроны называются
свободными, в действительности они только
полусвободны, потому что могут беспрепятственно двигаться
только в рамках данной кристаллической решетки.
Если они захотят оставить кристалл — стоп! На их
пути барьер. Только те электроны, которые обладают
достаточной силой, чтобы перескочить через барьер,
могут покинуть кристалл.
Свободными электронами объясняются некоторые
свойства металлов — их электропроводность,
теплопроводность, их магнитные свойства и т. п.
Металлическая решетка очень прочна. Она выдерживает
всякую деформацию без разрушения. Поэтому металл
можно ковать, вальцевать тонкие листы, вытягивать в
тонкие нити и т. д.
— Все это очень интересно, но мне кажется
немножко непонятным, — сказал я. — Связи между
составляющими частицами в атомной и ионной
решетках мне ясны — они соответствуют связям в
молекулах. А у металлов? Как осуществляются связи в
металлической решетке? Не могут же электроны так
безответственно шататься вдоль и поперек кристалла?
Я здесь чего-то не понимаю.
— Мои объяснения различных типов
кристаллических решеток несколько схематичны, — согласился
учитель. — После уроков анатомии и дипломатии тебе
хотелось бы рассмотреть кристалл поближе и
проследить поведение атомов и их электронов. Я уже обещал
тебе, что во второй части ответа на твой вопрос мы
остановимся именно на этом. Слушай внимательно!
Так как тебя интересует вопрос о структуре
металлической решетки, рассмотрим, как образуется
кристалл металла, например натрия. Представь себе, что
мы наблюдаем за поведением одного атома натрия.
Он чувствует себя очень хорошо. У него ровно столько
электронов, сколько зарядов в ядре. Эти электроны
расположены так, как мы говорили уже на уроке ана-
214
томии. Они распределены по принципу Паули и
согласно условию занимают самые низкие
энергетические уровни. Но вот с ним повстречался совершенно
такой же, как он, еще один атом натрия. Сначала
начинаются разговоры, потом переговоры и, наконец,,
оба атома решают скооперироваться, чтобы совместно
пользоваться своими электронами. Но подождите!..
Остановитесь на миг! Это не такое простое дело. Вы
имеете по одиннадцать электронов. И каждому
электрону одного атома натрия соответствует совершенно-
такой же по своей энергии собрат в другом атоме
натрия. Если перевести на язык квантовой физики, та
эти два атома имеют по одиннадцать электронов с
одинаковыми квантовыми числами. И теперь они
хотят объединиться и предоставить своим электронам
одни и те же энергетические уровни. Возможно ли
это? Электроны начнут драку — кто первый займет
данный уровень. А принцип Паули тверд: на каждом
уровне может быть только один-единственный
электрон, который характеризуется определенными
величинами четырех квантовых чисел. Тогда атомы пришли
к взаимному соглашению. Уровни нужно разделить.
Из каждого энергетического уровня нужно получить
два, слабо отличающихся по своей энергии от
первоначального — один уровень несколько ниже, а
другой выше. Тогда будет место для всех двадцати
двух электронов. В этой новой коллективной системе
опять будут строго определены допускаемые
энергетические уровни, но они будут сложными,
состоящими из двух очень близких по своим значениям
уровней.
— А что же произойдет, если откуда-нибудь
появится еще третий атом натрия и тоже захочет войти
в этот коллектив? Ведь и он обладает электронами с
теми же квантовыми числами? Это означает, что и
теперь нужно было бы нарушить принцип Паули. Если
я правильно понял и атомы действительно могут
изменять энергетические уровни своих электронов, то
каждому основному уровню свободного атома будут
соответствовать три новых, очень близких по энергии
уровня в объединении из трех атомов. И сколько это
может продолжаться? В принципе могут собраться
вместе пять, шесть, сто, тысяча, миллион, миллиард
215
ИЗ КАЖДОГО УРОВНЯ ПОЛУЧАЕТСЯ СТОЛЬКО
РАЗРЕШЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ, СКОЛЬКО СВЯЗАННЫХ
АТОМОВ ИМЕЕТСЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ
КРИСТАЛЛА. ЭТИ УРОВНИ РАСПОЛАГАЮТСЯ ОЧЕНЬ БЛИЗКО ДРУГ
ОТ ДРУГА И ОБРАЗУЮТ СПЛОШНУЮ ЗОНУ
ШШв
УРОВЕНЬ
ЭЛЕКТРОНА
В АТОМЕ No
УРОВЕНЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ДВУХ
ЭЛЕКТРОНА АТОМОВ МЕТАЛЛА ПОЯВЛЯЮТСЯ
В АТОМЕ Na ДВА УРОВНЯ —
ВЕРХНИЙ И НИЖНИЙ
атомов натрия. Таким системам будут
соответствовать бесконечное множество допустимых электронных
энергетических уровней.
— Э-э, не бесконечное множество! — остановил
меня учитель. — Из каждого уровня получается
столько расщепленных энергетических уровней, сколько и
связанных атомов. И эти уровни так близки друг к
другу, что представляют собой целую полосу из
многих близких по величине энергий или, как еще
говорят, — целую зону. Таким образом, каждый
энергетический уровень отдельного атома может превратиться
в широкую энергетическую зону, когда этот атом
находится в кристаллической решетке.
— Насколько я помню из урока анатомии,
отдельные группы электронов, занимающие данный
энергетический уровень, для удобства обозначают
условно определенными буквами. А какой шифр будет
здесь?
— Ученые решили и этот вопрос. Введенные ранее
обозначения сохранились и для энергетических зон.
При расщеплении одного s-уровня получается одна
s-зона, при расщеплении р-уровня — р-зона, d-уров-
ня — (i-зона и т. д. Впрочем, отдельные уровни в
каждой зоне настолько многочисленны и настолько
близки по величине энергии, что можно смело утверждать
следующее: в пределах одной зоны энергия
изменяется не порциями, а плавно. Другими словами, все
значения энергий внутри данной зоны являются
разрешенными для электронов.
Между отдельными энергетическими уровнями в
свободных атомах имеются широкие полосы
запрещенной энергии для электронов данного атома. В
металлической решетке эти полосы превращаются в
зоны, в запрещенные для электронов энергетические
зоны.
— Все это напоминает полосатую ткань, —
пошутил я. — Разрешенная зона, запрещенная зона, опять
разрешенная и т. д.
— Твое сравнение довольно удачно, но только по1
лосы будут размещаться не очень равномерно. Не все
зоны имеют одинаковую ширину. А иногда
разрешенные зоны располагаются настолько близко одна от
217
другой, что, в сущности, перекрываются. Тогда твои
полосы сливаются.
Итак, электроны объединившихся атомов натрия
располагаются по уровням внутри этих зон. Вспомни
структуру атома натрия. В первом электронном слое
он имеет два электрона. Это s-электроны. И этих двух
электронов вполне достаточно, чтобы блокировать
полностью этот 5-уровень. При расщеплении этого
энергетического уровня в кристаллической решетке
натрия из него может получиться энергетическая
s-зона, которая точно так же будет целиком заполнена
электронами. Во втором слое атома натрия восемь
электронов — два s-электрона и шесть /^-электронов.
Эти восемь электронных уровней уже заняты. В
кристаллической решетке им соответствует одна s-зона и
одна р-зона, которые тоже будут полностью
заполнены электронами. Когда я говорю: «заполнены», ты не
должен думать, что речь идет о корзине с
электронами, которую лопатой наполнили доверху. Тут картина
совсем другая. Заполненная зона означает, что все
возможные энергетические уровни в пределах зоны
заняты, т. е. что в металлической кристаллической
решетке содержится максимально допустимое число
электронов, которые обладают соответствующими
значениями энергий.
Но вернемся к натрию. Остался еще один s-элек-
трон. Он находится в третьем электронном слое и
занимает одно из двух значений s-уровня (в s-уровне
может быть максимум два электрона). Следовательно,
он не целиком заполняет s-уровень. Тогда и зона,
которая образуется, не будет заполнена вся. Она будет
только точно наполовину занята электронами. И это
очень важно.
В сущности, когда я говорил тебе о возможных
энергетических зонах у натрия, я был не совсем строг.
Для расширения уровня до энергетической зоны
необходимо, чтобы два атома подошли на очень близкое
расстояние друг к другу. При этом чем ниже
энергетические уровни, подвергающиеся расщеплению, тем
меньше должно быть расстояние между атомами.
Только при таких малых расстояниях электронные
облака отдельных атомов смогут перекрываться и
создавать одну общую электронную оболочку. Если мы
218
рассмотрим пример с натрием, то увидим, что при
расстоянии, которое существует между его атомами в
кристаллической решетке, расщепляться могут только
s-уровни внешнего третьего слоя, образуя широкую
энергетическую зону. Получается, что атомы натрия
сохраняют часть своих электронов в личном
пользовании и после объединения. Те электроны, которые
предназначены для общего пользования (обыкновенно
это валентные электроны), образуют так называемый
электронный газ — свободные электроны,
двигающиеся по всему кристаллу металла. Все они обладают
энергией в пределах одной энергетической зоны —
s-зоны третьего слоя. Но не думай, что всегда будет
иметься одна энергетическая зона! У натрия,
например, есть и другие зоны: р- и s-зоны третьего слоя;
S-, /?-, f-зоны четвертого слоя и т. д. Только эти зоны
не заняты и на них нет ни одного электрона. В других
случаях у других элементов или соединений может
быть несколько занятых энергетических зон — все это
зависит от расстояний между частицами,
составляющими кристаллическую решетку.
Очень важен тот факт, что последняя зона у
натрия занята не полностью. Это означает, что
электроны сравнительно свободны. Они занимают самый
низкий энергетический уровень зоны, а над ними
продолжение зоны создает высокий потолок. Поэтому эти
электроны имеют возможность получать
дополнительную энергию, не рискуя оказаться вне зоны. Ведь я
говорил уже, что это запрещено! А такую энергию
можно дать электронам извне. Мы можем нагреть
металл, можем присоединить его к источнику
постоянного тока. В этом случае часть электронов подскочит
на более высокий энергетический уровень,
передвинется с одного места на другое. Это вполне возможно,
так как они теперь обладают большей энергией.
Таким образом обеспечивается теплопроводность и
электропроводность металлов.
— Подождите! — воскликнул я. — Здесь что-то не
так. Выходит, чтобы данный кристалл проявил свои
металлические свойства, его наивысшая зона должна
быть полусвободной. Так? Тогда магний не должен
быть металлом. Не должен обладать
теплопроводностью и электропроводностью. У него s-уровень
219
третьего слоя завершен, заполнен до того, как стал
s-зоной. Как же тогда придать его электронам
дополнительную энергию? Они же не могут обладать
любой энергией, это привело бы их в запрещенную зону...
А я отлично знаю, что магний металл.
— У магния и у других металлов второй группы
происходит наложение тех «полос», о которых ты
говорил. Здесь /7-зона третьего слоя (3 р-зона)
перекрывается с 3 s-зоной. Это означает, что для электронов
этих металлов разрешены все энергии вплоть до
потолка 3 р-зоны. Понятно?
— Понятно, — пробормотал я. — Если самая
верхняя зона полузаполнена или частично перекрывает
выше расположенную пустую зону, то твердое тело
будет проводником электричества. Если эта зона
целиком заполнена и не перекрывается другой пустой
зоной, то такое вещество не будет проводить
электричество. Ясно!
— Чтобы стало еще яснее, тебе нужно знать, что
в последнем случае иногда может наблюдаться
проводимость... Предположим, что последняя зона вся
занята электронами. Но над ней после запрещенной
зоны расположена полностью свободная
энергетическая зона. Если запрещенная зона очень широкая,
дело трудное. Такие тела действительно не могут
проводить электрический ток и являются типичными
изоляторами. Но если обе разрешенные зоны
располагаются близко одна от другой, тогда электроны могут
перескакивать через запрещенную зону из одной,
целиком заполненной, — в другую, свободную
энергетическую зону. Такие вещества называются
полупроводниками. Чтобы они могли проводить электрический
ток, необходимо сначала возбудить часть их
электронов, т. е. придать им некоторое количество энергии.
Тогда они перескочат через запрещенную зону и из
нижней заполненной зоны, называемой еще
валентной, перейдут в верхнюю свободную зону, которую
называют зоной проводимости. Чем больше
электронов перескочит в зону проводимости, тем
значительнее будет проводимость полупроводника. Поэтому при
нагревании проводимость полупроводников растет, а
не уменьшается, как у металлов.
220
А
ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ ЗАВИСИТ ОТ ШИРИНЫ
ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ, КОТОРУЮ ЭЛЕКТРОНЫ ДОЛЖНЫ
ПЕРЕСКОЧИТЬ, ЧТОБЫ ДОСТИГНУТЬ ЗОНЫ ПРОВОДИМОСТИ
ИЗОЛЯТОР АЛМАЗ
ПОЛУПРОВОДНИК
ГЕРМАНИЙ
проводник медь
При перескакивании электронов в зону
проводимости достигается одновременно два эффекта. С одной
стороны, в валентной зоне образуются свободные
места и невозбужденные электроны получают
возможность свободнее двигаться, т. е. могут
активизироваться в пределах зоны. С другой стороны, в зоне
проводимости появятся свободные электроны. Первый
эффект характеризуется как дырочная проводимость,
а второй — как электронная проводимость
полупроводников. В описаниях полупроводник дырочной и
электронной проводимости занимает одну и ту же
ступень: сколько электронов оказалось в зоне
проводимости, столько и дырок появилось в валентной зоне.
У других полупроводников может преобладать один
или другой тип проводимости. Это сложный вопрос,
которым пока нам не стоит заниматься.
— Теперь мне все ясно. Я слышал, что в последние
годы полупроводники получают широкое применение.
У нас есть промышленность полупроводников, мы
изготовляем приборы с полупроводниками и т. д. А
какой химический состав у полупроводников?
— Есть химические элементы со свойствами
полупроводников, такие как кремний, германий и др.
Наряду с ними, полупроводниками являются и ряд
химических соединений — окислы, сульфиды и т. п.
— Мне кажется, что при изучении свойств и
строения твердых тел важны и анатомия и дипломатия
атомов. Нужно понимать, что происходит с
электронами, которыми обладают отдельные свободные
атомы, и непременно рассматривать кристалл как единое
целое. Сложная, но и очень интересная наука —
строение материи!
Учитель смотрел на меня с улыбкой. Он был рад,
что пробудил во мне интерес к этой науке. Потом он
посмотрел на часы и напомнил мне, что на сегодня
хватит.
— Иди. Дома тебя, наверное, ждут.
По пути домой я снова обдумал все. Фантазия?
Все, что я видел и слышал за эти два дня, было
действительностью. Существуют и атомы, и электроны, и
222
молекулы, и кристаллы; существуют и силы, которые
царят в этом малом и бескрайнем мире. Что же тогда
фантазия? Может быть, то, что я попал в этот мир,
побывал в «школе атомов»? Но это мог бы сделать
каждый. Чтобы проникнуть в тайны природы, не
нужна волшебная палочка, не надо становиться
маленьким, как атомы. Нужно только захотеть побольше
узнать...
Адсорбция — главное действующее лицо почти всех
химических и биохимических процессов, явление, без
которого немыслима жизнь на Земле... Адсорбция
растворенных частиц на твердом адсорбенте, газов — на
поверхности растворов, жидкости — на твердых
катализаторах... Адсорбция всюду, где соприкасаются две
различные по своей химической природе и физическому
состоянию фазы... Проще говоря, без адсорбции невозможно ни
питание, ни обоняние, оно необходимо и при
окрашивании тканей, и при воздействии лекарств на микробы, и
при химических реакциях между веществами. Адсорбция
способствуег образованию пены, с помощью которой из
руды извлекают ценные металлы. На снимке — пена,
образующаяся при флотации (обогащении) металлической
руды.
БЕСКОНЕЧНЫЙ СПОР
Случайно ли, что химические процессы протекают
в двух противоположных направлениях? Случайно ли
синтезу данного вещества сопутствует его разложение
и этим достигается химическое равновесие? Случайно
ли, что наряду с испарением существует конденсация,
с плавлением — кристаллизация, с окислением —
восстановление, с адсорбцией — десорбция? Не
случайностью, а строгими природными закономерностями
обусловлена эта противоположность и одновременно
это единство явлений и вещей.
И что важнее: прямая или обратная реакция,
синтез или разложение, плавление или кристаллизация,
адсорбция или десорбция? Такой вопрос вообще
нельзя ставить. Конечно, оба процесса одинаково важны
и ясно, что нужно познать закономерности, которым
они подчиняются, чтобы направить равновесный
процесс в нужную человеку сторону. А человеческие
нужды изменчивы!
Вот, например, сейчас нам нужно явление
адсорбции. Мы хотим выкрасить шерстяную пряжу.
Прочитав руководство, мы растворим краску в воде и
погрузим пряжу в красильный чан. Начнется процесс
адсорбции. Цвет нам нравится, и мы не хотим и
слушать о десорбции, которая может в короткое
время уничтожить результаты наших трудов. Но немного
погодя мы посадим на светлую ткань чернильное
пятно. Опять адсорбция, но в этот момент незванная
и ненужная. Здесь нам должна помочь Десорбция.
Быстро примем все меры! И как жаль, что пятно
нельзя устранить полностью.
Адсорбция дала в руки людей противогаз и этим
избавила их от мучительной смерти. Она лежит в
основе хроматографического анализа, который
доказал сложный состав веществ и обеспечил возможность
их разделения. Она помогает молекулам
взаимодействующих веществ при гетерогенных "каталитических
8 Зак. 520
225
реакциях задерживаться на поверхности
катализатора, ослабляет связи между атомами этих молекул и
таким образом подготавливает их к химическому
взаимодействию. Она помогает химикам, физикам,
биологам и вообще всем людям, но в то же время она
может и мешать. Из-за нее мы не можем получать
абсолютно чистые вещества и должны изобретать
хитроумные способы удаления примесей. Она заставляет
хозяек часами проветривать шерстяные вещи, чтобы
устранить запах нафталина, который прочно
удерживается в них благодаря адсорбции. И хорошо, что есть
десорбция! Иначе нельзя было бы разделять вещества
в хроматографической колонке, нельзя было бы
пользоваться катализаторами, так как реагирующие
вещества, оставаясь на поверхности катализатора,
необратимо отравляли бы его, нельзя было бы удалять
пятна с нашей одежды, невозможен был бы ряд
физиологических процессов и даже жизнь на Земле
остановилась бы без десорбции.
Вот почему мы не можем ответить на вопрос,
какой процесс важнее — адсорбция или десорбция.
Лучше послушаем, как они спорят между собой. Их спор
стар, как стар наш мир. Следовательно, он
бесконечен... Зачем же они спорят? Неужели они не
понимают, что это бессмысленно. Не лучше ли помириться?
Адсорбция и десорбция — два противоположных
процесса одного явления, они немыслимы один без
другого. Мы не будем им мешать — пусть спорят.
И этот спор может нас многому научить.
СЛЫШАЛИ ЛИ ВЫ О СЕМЕЙСТВЕ АДСОРБЦИИ?
— Мне надоело возиться с тобой! Не могу понять,
что за удовольствие дразнить людей? Есть ли у тебя
хоть капля уважения к сестре? Мне стыдно за тебя.
Вместо того, чтобы заняться чем-нибудь серьезным,
ты только создаешь неприятности!
Адсорбция была очень рассержена и не старалась
скрыть этого. Эта девчонка, ее сестра Десорбция,
перебарщивала. И сейчас она вызывающе улыбалась,
как будто речь шла не о ней.
Оно немногочисленно, их семейство, но очень
древнего происхождения. Оно состоит всего из трех сестер:
226
Адсорбции, Абсорбции и Десорбции. Две первых
сестры отлично ладят друг с другом и даже имеют
сходные профессии. Но третья сестра, Десорбция, как
будто поставила перед собой цель разрушать все, что
делают ее сестры.
Вот и сейчас — опять спор на ту же тему,
— С чего ты взяла, — возражала своей сестре
Десорбция,— что ты занимаешься какой-то серьезной
работой? Ты, собственно, только пачкаешь чистые
вещи, а я должна непрерывно следить за тобой, чтобы
исправлять твою «деятельность». Вместо того, чтобы
благодарить меня, ты меня ругаешь. Неблагодарная!
И такая неблагодарная в нашем старом, благородном
семействе.
Десорбция не сердилась. Просто ей доставляло
удовольствие дразнить свою сестру. И поэтому она с
вызовом продолжала:
— Почему ты всюду суешь свой нос? Без всякого
приглашения высказываешься по любому вопросу,
активно участвуешь во всех событиях. Боишься, как
бы что-нибудь не произошло без тебя?
— Кто? Я без приглашения? — попалась на удочку
Адсорбция. — Ты очень хорошо знаешь, что это не так.
Твоя сестра не из тех, кто вмешивается не в свои
дела. Тебе отлично известно, чем я занимаюсь и
насколько полезна и необходима моя деятельность.
Десорбция, ожидавшая именно такую реакцию,
слегка улыбнулась. Она знала заранее, что
произойдет дальше. Вот сейчас ее сестра Адсорбция начнет
рассказывать свою историю чуть ли не «от сотворения
мира».
— Я горжусь своей профессией, — продолжала
Адсорбция. — Представь себе, какая важная и ответ-
сгвенная задача стоит передо мной. Я должна на
поверхности одного тела задержать, крепко связать
частицы какого-то другого вещества. Поэтому меня и
назвали Адсорбцией. Мой крестный отец, французский
ученый Дюбуа-Реймон, не случайно воспользовался
латинским словом «сорбере» — «поглощать»,
«задерживать», «захватывать поверхностью», а приставка
«ад» показывает, что эти процессы происходят на
самой поверхности. Сначала меня многие путали с
нашей сестрой Абсорбцией, которая работает несколько
8*
227
в другой области. Ее задача — помочь, когда одно
вещество поглощается и задерживается в объеме
другого. Так что я — процесс, который совершается
только на поверхности веществ, а она действует всегда
внутри их объема. Очень часто мы работаем вместе
и поэтому нас объединяют под общим названием
Сорбция. Без нас люди не могли бы даже почистить
обувь. Обыкновенно они берут в руки щетку,
захватывают ею немножко гуталина и начинают энергично
растирать его по обуви. Тут я. Адсорбция, на своем
месте. Я помогаю красящему веществу задержаться
на поверхности кожи и придать ей красный, черный
или коричневый цвет. А моя сестра Абсорбция только
командует: «Держи, сестричка, покрепче частицы на
поверхности, а я буду ловить тех, которые проникли
внутрь».
— Теперь представь и меня, раз уж ты начала
говорить о нашем семействе. Скажи, что у вас есть
еще одна сестра, упрямая и своевольная, которая
занимается тем, что устраняет адсорбированные и
абсорбированные вещества с поверхности или из
внутреннего объема данного вещества и что зовут ее
Десорбция,— вмешалась третья сестра.
— Не думаю, что тебя нужно представлять, потому
что ты уже сама представилась. При этом все
убедились в твоей невоспитанности. Очень невежливо
прерывать речь других, — с возмущением заявила
Адсорбция.
— Как будто ты не делаешь то же самое, не
вмешиваешься туда, куда тебя не просят, — попыталась
защититься Десорбция.
Адсорбция строго посмотрела на нее и
продолжала:
— Я ВМЕШИВАЮСЬ ТОЛЬКО ТОГДА, КОГДА
МЕНЯ ПРИГЛАШАЮТ, КОГДА ИМЕЮТСЯ
ДВОЕ НУЖДАЮЩИХСЯ ВО ВМЕШАТЕЛЬСТВЕ
АДСОРБЦИИ
Один из них — адсорбент, на поверхности которого
протекает процесс, а другой — адсорбат или, как его
еще называют, адсорбтив, который задерживается на
228
поверхности. Вот, например, кожа, из которой сшита
обувь, — адсорбент, а гуталин и все его составные
части — краска, воск, жир — адсорбтив. Понятно?
Адсорбент и адсорбат могут быть в разных агрегатных
состояниях. Для меня особенно интересны те случаи,
когда на поверхности твердого тела нужно задержать
молекулы газа.
Я всегда восхищаюсь твердыми адсорбентами. Они
такие аккуратные, у них все всегда в таком строгом,
совершенном порядке. Все составляющие их частицы,
атомы, ионы или молекулы, расположены на
вершинах и гранях симметричных геометрических фигур —
кубов, октаэдров и др. Так, например, кристаллы
поваренной соли состоят из множества прижавшихся
друг к другу кубиков. На вершинах этих кубиков
расположены положительные ионы натрия и
отрицательные ионы хлора. Расстояния между ними строго
определены. Повернешься налево — видишь стройный
ряд частиц, направо — то же самое, наверху —
аналогичная картина. Положительно, можно запутаться,
если попадешь в такой лабиринт. Повертишься!
Между частицами имеется некоторое расстояние, они не
касаются друг друга — это действуют
электростатические силы.
Частицы внутри кристалла равноправны. Со всех
сторон они окружены соседями, с которыми
поддерживают постоянные связи. Так, каждый
положительный ион натрия внутри кристалла хлорида натрия
поддерживает связь с шестью отрицательными ионами
хлора, которые его окружают. Но те частицы, которые
находятся на поверхности кристалла, имеют меньше
соседей, потому что с одной стороны они
соприкасаются с воздухом. А частицы, расположенные на
вершинах и боковых гранях кристаллической решетки?
Они чувствуют себя совсем одинокими, совсем
изолированными! Другими словами, частицы, находящиеся
на поверхности твердого тела, чувствуют себя
неудовлетворенными: не удовлетворено их стремление к
общению с другими частицами. Поэтому они будут
«протягивать руки» за пределы кристаллической решетки
и стремиться удержать около себя проходящие мимо
них свободные частицы газа. Только задержанные
таким образом частицы газа могут насытить
229
АДСОРБЦИЯ
ВАЛЕНТНЫЕ СИЛЫ НА ПОВЕРХНОСТИ АДСОРБЕНТА НЕ
НАСЫЩЕНЫ И НАСЫЩАЮТСЯ МОЛЕКУЛАМИ АДСОРБАТА
поверхностные частицы. Свободно двигающиеся
молекулы адсорбата тоже небезучастны к стремлению
-адсорбента. И около этих молекул существуют
силовые поля. И эти молекулы «протягивают руки» во
все стороны и ищут, кого бы схватить.
— Как же могу я, — Адсорбция победоносно
взглянула на свою сестру, — остаться равнодушной к
стремлениям адсорбента и адсорбтива? Они нуждаются во
мне. Я вмешиваюсь — и молекулы газа
задерживаются, адсорбируются на поверхности твердого тела.
— И думаешь, что ты очень хорошо поступаешь? —
прервала ее Десорбция. — Думаешь, что угодила и
адсорбенту, и адсорбату? И не задаешь себе вопроса:
«Как теперь себя чувствуют молекулы газа?» До этого
момента они были совершенно свободны, летали во
все стороны, а теперь... Ты привязала их к какой-то
ленивой поверхностной частице и приказываешь им:
«Стойте здесь, чтобы составить ей компанию, потому
что она очень одинока и изолированна!» Да знаешь
ли ты, что такое свобода, как тяжело ее потерять?
Молекулы газа не могут смириться с этим
закабалением. И поэтому, попав на поверхность адсорбента и
почувствовав на себе лапы ненасытных частиц, они
начинают изо всех сил сопротивляться и звать на
помощь. Как же могу я, Десорбция, оставаться
равнодушной к их призыву? Ведь это грубое
посягательство на их права и свободу! Поэтому я им помогаю и
всегда буду помогать! Пусть они отрываются от
поверхности, пусть десорбируют и спокойно улетают в
пространство. Поэтому меня и зовут Десорбция. Мой
крестный отец тоже использовал латинский корень
«сорбере», но перед ним он поставил приставку «де»,
которая подчеркивает мою способность ограничивать
сорбцию.
— Не думай, что ты меня испугаешь, — снова
взяла слово Адсорбция. — Вместо этих дезертиров, этих
десорбированных молекул, я найду тысячи других
добровольцев, тысячи любопытных молекул, которые
будут рады «приземлиться» на поверхности адсорбента
и посмотреть, что там есть.
— Ты будешь их адсорбировать, а я буду их де-
сорбировать, и на поверхности установится
подвижное, динамическое равновесие, — спокойно дополнила
231
Десорбция. — Знаешь, что означает это динамическое
равновесие? На первый взгляд, как будто все
спокойно и никакого процесса не происходит, но на самом
деле это не так. Эти процессы совершаются с
одинаковой скоростью — сколько молекул адсорбируется в
единицу времени, столько и десорбируется. На
поверхности будет всегда одно и то же число молекул, но
это не одни и те же молекулы. Если *гы возьмешь
кисточку и покроешь красной краской те молекулы,
которые задержались на поверхности, то не успеешь
полюбоваться результатами своей работы, как
заметишь, что на адсорбенте появилось множество новых,
белых точек. Если ты выкрасишь и их, белые точки
появятся на другом месте и т. д. В то же самое время
в окружающем пространстве начнут двигаться
молекулы газа красного цвета, которые оторвались от
поверхности адсорбента. Так выглядит динамическое
равновесие.
КАЖЕТСЯ, ВСЕ СПИТ, А НА САМОМ ДЕЛЕ...
На самом деле все частички движутся.
— Ты хорошо знаешь сущность динамического
равновесия, — заговорила Адсорбция. — Конечно,
рассчитываешь использовать его против меня, чтобы
освобождать частицы, задержанные на поверхности
адсорбента. Вот, например, ты отлично знаешь, что
я всегда представляю собой экзотермический процесс,
т. е. при задержании одного вещества на поверхности
другого всегда выделяется определенное количество
тепла. А принцип подвижного равновесия, принцип,
который обычно люди связывают с именами Ле Ша~
телье и Брауна, гласит: «Если на систему,
находящуюся в динамическом равновесии, производится
внешнее воздействие, то оно будет благоприятствовать
протеканию той из двух противоположных реакций,
которая ослабляет это внешнее воздействие».
Представь себе, что идет процесс, при котором выделяется-
какое-то количество тепла, а мы начнем нагревать эту
реагирующую смесь. Если система равновесна, она
должна противостоять внешнему воздействию.
Теплота, внесенная извне, должна использоваться. А это-
232
может произойти только в том случае, если начнется
обратная реакция, которая будет поглощать тепло,
т. е. если равновесие сместится в сторону исходного
вещества. Ведь именно в этом направлении процесс
эндотермичен и нуждается в нагревании? Выходит,
что при нагревании равновесный процесс всегда
должен смещаться в сторону эндотермической реакции.
И наш случай именно такой. Как экзотермический
процесс, я не выношу никакого нагревания. Поэтому
ты научила людей использовать теплоту в тех
случаях, когда им нужно частично или полностью
устранить с поверхности твердого тела адсорбированные
молекулы газа. Они просто нагревают адсорбент, и
это очищает его поверхность от адсорбированных
частиц.
Люди из этого явления извлекают огромную
пользу. Они просто заставляют адсорбент работать на
себя. Они берут, например, уголь, всем известный
отличный и услужливый адсорбент, и сильно нагревают
его. Нагревают так, что у него «выступает пот», т. е.
десорбируются все задержанные им вещества, а
потом его помещают в аппаратуру, в которой хотят
адсорбировать и выделить какой-нибудь находящийся
там газ. Углю говорят: «Стой здесь и задерживай все
те молекулы, которые пройдут мимо тебя!» И уголь
слушается. Он честно выполняет свои обязанности.
Надо сказать, что люди жестоко обходятся с ним.
Когда он уже по горло насытится молекулами этого
газа, люди осторожно извлекают его из аппарата и
снова подвергают сильному нагреванию. «Теперь,-—
-говорят они ему, — мы тебя регенерируем, омолодим.
Ты отдашь нам все, что задержал, и восстановишь
свои адсорбционные свойства. Тогда мы снова
определим тебя на работу в аппарате».
Так поступают люди! И этому научила их ты!
— Не я научила людей, а они сами разобрались
в твоем характере, — ответила Десорбция. — В
результате упорного труда, после многолетних исследований
и опытов они узнали и о тебе, и обо мне больше, чем
мы сами знаем. Но ты очень мнительна, у тебя всегда
виновата Десорбция. Вот, например, люди знают, что
на наш спор, на наше подвижное равновесие
можно влиять с помощью давления газа, который
233
адсорбируется. Чем выше давление, тем большее
число молекул при определенной температуре будет
разгуливать в данном пространстве газа. Когда таких
молекул много, они чаще будут ударяться о
поверхность адсорбента и количество адсорбированных
молекул будет больше. Другими словами, при
увеличении давления количество адсорбированного вещества
увеличивается, а при уменьшении — уменьшается.
Это хорошо известно людям, а ты, наверное, снова
скажешь, что это я научила их значительно снижать
давление над адсорбентом и даже помещать его в
вакуум, чтобы устранить с его поверхности
адсорбированные молекулы.
Адсорбция молчала. Она явно не находила слов
для возражения. А Десорбция продолжала:
— Так как ясно, что тайны твои уже раскрыты и
люди начали командовать тобой, то ты решила
принять от ученых новое имя — Хемосорбция. Так ты
открыла людям второй фронт — они должны теперь
бороться и с обыкновенной, физической Адсорбцией и
одновременно с химической, Хемосорбцией.
— Люди могут называть меня как угодно, но я
одна и та же, — возразила Адсорбция. — И я знаю
свое дело. ОНО ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТОБЫ
СОЗДАТЬ
СВЯЗЬ АДСОРБЕНТА С АДСОРБАТОМ
Связи, которые я создаю, — продолжала
Адсорбция,— возможно, слабы, потому что они
осуществляются слабыми межмолекулярными, или вандер-
ваальсовыми, силами. Такие силы связывают,
например, молекулы жидкости. Именно этот случай люди
считают физической Адсорбцией. Так адсорбируются,
например, двуокись углерода на угле, азот, аргон или
криптон на большинстве адсорбентов
В другом случае, при задержании молекул адсор-
бата на поверхности адсорбента между ними
происходит переход электронов. Эта связь аналогична той,
которая существует между частицами химических
соединений. Здесь уже речь идет о Хемосорбции. К ней
склонен, прежде всего, кислород. Связаны химически
(хемосорбированы) и молекулы ряда химических со-
234
единений: окись углерода, вода, многие органические
вещества и т. д. При этом часто хемосорбционный
процесс обусловлен разрушением связей между
частицами в адсорбирующейся молекуле.
В сущности, точной границы между физической и
химической Адсорбцией провести нельзя. Обычно Хе-
мосорбция сопровождается большим выделением
тепла. Кроме того, этот процесс совершается медленнее
и тебе, Десорбция, намного труднее приходится,
когда ты встречаешься с химической Адсорбцией.
Но чего не придумают люди! Ты знаешь, что они
еще различают активированную и неактивированную
Адсорбцию?
Иногда все молекулы газа могут адсорбироваться
на поверхности какого-нибудь адсорбента, как только
окажутся близко от его поверхности. Несмотря на то,
быстро или медленно они двигаются, ловкие они или
неуклюжие, обладают ли они большой или
незначительной энергией, все они адсорбируются. Такой
адсорбционный процесс, протекающий без всяких помех,
мгновенно, называют неактивированной Адсорбцией.
В другом случае работа у Адсорбции посложнее.
Адсорбент может задерживать на поверхности только
самые быстрые молекулы, обладающие наибольшей
энергией, которые, так сказать, активированы.
Остальные молекулы могут сколько угодно ударяться о
поверхность адсорбента и будут отскакивать от нее, как
мячики, — для них места нет. Это активированная
Адсорбция.
Знаешь, как красят пряжу в домашних условиях?
Краску растворяют в горячей воде и в этот раствор
погружают пряжу. Через некоторое время раствор
обесцветится, а краска перейдет из него на пряжу.
А без нагревания этот процесс вообще не может
протекать.
Активированная Адсорбция протекает намного
медленнее, чем неактивированная, и часто
неправильно отождествляется с химической Адсорбцией.
Вообще-то активированная Адсорбция всегда является
химической, но не всякая химическая Адсорбция
является активированной. Прилагательное «химическая»
указывает на механизм самого процесса, тогда как
термин «активированная» касается только скорости
235
протекания этого процесса. Так, окраска тканей — хе-
мосорбционный процесс, потому что при этом
происходит химическое взаимодействие между красителем
и тканью. В то же время это и активированный
процесс, так как в нем могут участвовать только
активированные, богатые энергией молекулы красителя.
Именно поэтому процесс и протекает замедленно.
— Ты пустилась в такие подробности, что устроила
мне лекцию, почти как школьный учитель, — прервала
ее Десорбция.
— Мне осталось только добавить, что, образно
говоря, на пути адсорбируемых молекул стоит как бы
энергетический барьер, который могут преодолеть
только молекулы, обладающие наибольшей энергией.
Перескочив энергетический барьер, по другую сторону
от него они попадают в энергетическую яму, так как
при этом они будут выделять значительное количество
энергии. Я их очень хорошо знаю, эти ужасные
барьеры и ямы! Ведь, чтобы десорбировать, т. е. освободить
такую адсорбированную молекулу, находящуюся в
энергетической яме, нужно преодолеть ту же самую
преграду, но в обратном направлении. А со стороны
ямы этот барьер еще выше. Немало трудностей
преодолеваю я ради освобождения таких молекул! Им
Нужно придать много энергии, тогда они перескочат
через энергетический барьер и окажутся на свободе.
— Ах, сестра, сестра, — заахала Адсорбция. —
Ничего ты не добьешься со своим неуживчивым
характером!
— Но и все твои «добродетельные» дела,
которыми ты хвастаешь постоянно, — возмутилась
Десорбция, — ничего не стоят без моего участия.
— Без твоего участия? — презрительно
усмехнулась Адсорбция. — Выходит, ты мне помогаешь!
ПОСЛУШАЙ-КА ВНИМАТЕЛЬНО В ПОСЛЕДНИЙ
РАЗ И ЗАПОМНИ,
КАКУЮ ПОЛЬЗУ ПРИНОСИТ ЛЮДЯМ
АДСОРБЦИЯ
Начнем с физиологических процессов. Люди
говорят, что вещи пахнут, — одни имеют приятный запах,
другие неприятный. А как люди или животные ощу-
236
щают запахи? Ты скажешь: для этого — нос. Сейчас
разберемся. Происходит очень сложный
физиологический процесс. Первый этап этого процесса —
раздражение окончаний обонятельных нервов парами
пахнущего вещества. Для этого пары должны не только
попасть в полость носа, но, главное, задержаться на
слизистой оболочке, то есть адсорбироваться на ней.
Так что без моего вмешательства молекулы
отскакивали бы от слизистой оболочки носа и живые
организмы не могли бы ощущать запахов. И это было бы
очень плохо! Ведь обоняние не только дает
возможность наслаждаться ароматом цветов, плодов, вкусом
хрена или нежным запахом духов, но и помогает
вовремя заметить некоторые ядовитые, неприятно
пахнущие вещества и предостерегает от отравления.
Адсорбция все больше оживлялась, рассказывая
о себе.
— Или возьмем вкусовые ощущения. Сладкое,
соленое, острое, горькое, вкусное, безвкусное. Как ты
думаешь, почему люди чувствуют вкус? Только ли с
помощью языка? И здесь нужна я, Адсорбция. И здесь
нужно адсорбировать пищевые продукты или хотя бы
их некоторые составные части на окончаниях
вкусовых нервов. Без меня все прелести кулинарного
искусства остались бы скрытыми от людей.
— Ну, а если бы не я, — прервала ее Десорбция,—
было бы еще ужаснее. Представь себе, например, что
маленький ребенок захотел попробовать острый перец.
Как ты говорила, некоторые составные части перца
адсорбируются на окончаниях вкусовых нервов и в
мозг ребенка поступает сигнал «острое». Ребенок
начинает плакать. И он, наверняка, ревел бы всю жизнь,
если бы не вмешалась я, если бы не было Десорбции
молекул раздражающего вещества с языка ребенка.
А ведь ты бы хотела крепко держать эти молекулы?
Или другой пример. Представь себе, что молодой
человек сорвал душистую фиалку и поднес ее к своему
носу. Разве плохо пахнут фиалки? Но вот фиалка
уже давно завяла, а запах ее все еще раздражает
окончания обонятельных нервов. Сядет человек
обедать— к запаху мяса, помидор, перца будет
примешиваться и запах фиалки. Решит он, наконец, выпить
кофе. Представляешь, какой букет получится из всех
237
;
Николай Дмитриевич
Зелинский (1861—1953) — русский
советский химик. Высшее
образование получил в Одесском
университете, после чего
стажировался в Геттингене. В
1889 г. назначен доцентом в
Одесский университет, позже
стал профессором этого
университета, а затем
Московского. Однако вскоре он ушел из
Московского университета,
выразив этим протест
реакционному министру просвещения
царской России, и вернулся в
университет только после
Октября.
Н. Д. Зелинский работал
преимущественно в области
органической химии —
осуществил много новых синтезов,
сделал ценный вклад в
стереохимию органических
каталитических соединений,
разработал ряд органических
каталитических реакций. Особенно
важной была его работа по
каталитическому разложению
тяжелых нефтяных углеводородов
под действием хлорида
алюминия. Другой областью, в
которую Зелинский сделал большой
вклад как теоретик и
экспериментатор, является адсорбция.
В 1915 г. он создал первый в
мире противогаз, в котором
отравляющие газы
адсорбировались углем.
Среди учеников академика
Зелинского было много ставших
известными ученых. За
плодотворную научную деятельность
Зелинский был удостоен
многих почетных наград и званий.
этих запахов? Разве приятно? И в этом виновата
только ты со своей чрезмерной настойчивостью. Вряд
ли люди будут тебя благодарить за это. С твоей
помощью они потеряют всякое представление о вкусе и
запахе. Хорошо, что я уничтожаю следы твоего
неблагоразумия и десорбирую все атомы и молекулы.
Этим я открываю путь к нервным окончаниям новым
вкусовым и обонятельным ощущениям.
Адсорбция почувствовала себя неловко.
Действительно, она как будто слегка запуталась, ошиблась и
дала этим козырь в руки своей сестры. Стоит ли
продолжать разговор о физиологических процессах после
этого? Она могла бы напомнить сестре, что
прохождение веществ через оболочку клетки начинается с ад-
238
сорбции этих веществ на ее поверхности. Но не лучше
ли остановиться тут? Десорбция сразу продолжила
бы спор в свою пользу: «А ты знаешь, сестра мояк
что с другой стороны оболочки нужна я, Десорбция,
чтобы десорбировать проходящие вещества. Иначе
оболочка клетки стала бы от адсорбированных частиц
толстой, как слоновая кожа, и не могла бы выполнять
свою функцию. И живой организм бы погиб!» Нет,
лучше не касаться этого вопроса, — решила
Адсорбция.— Но противогаз! Противогазом я ее сражу!
И Адсорбция самонадеянно продолжала спор.
— А слышала ли ты когда-нибудь, что такое
противогаз?— обратилась она лукаво к своей сестре.—
Это такая маска, которую люди надевают, если
обнаруживают в атмосфере опасные газы. Она снабжена
специальной коробкой, через которую проходит
воздух. Эта маленькая коробочка наполнена веществом,
которое обладает способностью задерживать
отравляющие вещества. На дне ее установлен противодым-
ный фильтр из слоя прессованной бумаги для
механического задержания частичек пыли и дыма.
Следующий слой состоит из активного угля — лучшего,
универсального адсорбента, а выше расположен слой
химического поглотителя, где молекулы газа
задерживаются не только из-за адсорбции, но и в
результате обыкновенной химической реакции. В этой
противогазовой коробочке я, Адсорбция, выполняю
особенно важную работу. Я задерживаю здесь
молекулы отравляющих веществ. Причем задерживаю
только их, потому что я не такая уж безголовая,
какой ты меня хочешь представить. Я проявляю и чутье
и изобретательность, чтобы выбрать из проходящих
мимо молекул только некоторые. Этим я спасаю
людей от неминуемой смерти. Знаешь ли ты, —
Адсорбция почувствовала себя увереннее и постепенно
начала воодушевляться, — при каких трагических
обстоятельствах был создан противогаз?
Была весна 1915 года. 22 апреля вечером на реке
Ипр немцы впервые в истории войн применили
удушливый газ хлор. Около 15 000 канадских и
французских солдат тяжело пострадало, а около 5000 погибло
в ту же ночь. Может быть, тебе это кажется
странным, но в некотором отношении люди очень глупы.
239
Когда между ними возникает какой-нибудь спорный
вопрос, они начинают войну и ломают голову над тем,
как убивать друг друга...
Именно в это время русский ученый Николай
Дмитриевич Зелинский изобрел противогаз. Николай
Дмитриевич был моим хорошим знакомым. Он уважал
и ценил меня, Адсорбцию, и, не колеблясь, возложил
на меня ответственную задачу по спасению жизни
людей. Он изобрел противогаз не случайно, а в
результате упорного труда и продолжительных
исследований, направленных к великой и гуманной цели.
Сейчас противогаз Зелинского стал незаменимым
помощником человека в его мирном созидательном
труде. На многих промышленных предприятиях, в
шахтах, на химических заводах при повседневной
работе и в аварийных ситуациях противогаз, в коробке
которого я, Адсорбция, делаю свое дело, помогает
сохранить жизнь и здоровье людей.
Адсорбция выглядела победительницей. Теперь ее
сестра должна замолчать! Ее вмешательство в
данном случае было бы неуместно.
Но Десорбция совсем не расстраивалась. Она не
злилась на сестру, а только старалась ее
подразнить.
— Да, я согласна. Противогаз, действительно,
вещь, в которую мне нельзя вмешиваться. И я стою
в сторонке. Вообще-то это не моя заслуга. Просто
люди подобрали такие адсорбенты, которые хорошо
задерживают отравляющие газы. Таким образом, не
согласуясь с моими желаниями, меня исключили из
игры. Если быть точной, то я все же участвую,
устанавливаю динамическое равновесие, но это равновесие
сильно смещено в твою сторону, Адсорбция.
Люди используют и много других своеобразных
противогазов. Например, фильтры для сигарет,
которые задерживают частицы дыма и часть никотина и
этим уменьшают вредное воздействие на организм
этого яда. Или противогриппозные маски, которыми
закрывают рот и нос продавцы магазинов во время
эпидемии гриппа и т. д. Но если в этих случаях ты
обходишься и без меня, то в других случаях я просю
необходима. ВОЗЬМЕМ, К ПРИМЕРУ, ОСОБУЮ
НАУКУ, КОТОРАЯ НАЗЫВАЕТСЯ
240
ХРОМАТОГРАФИЯ
Слово «хроматография» греческого происхождения
и в переводе означает цветопись. Это особый метод
разделения и анализа смесей из нескольких веществ,
отличающихся своими адсорбционными свойствами.
Впервые этот метод разработал и применил на
практике русский ученый Михаил Семенович Цвет,
который и ввел термин «хроматография». По профессии
Цвет был ботаником. Всю свою жизнь он посвятил
изучению растительных красителей (пигментов).
Особенно его интересовали вопросы, связанные с
хлорофиллом,— основной составной частью каждого
растения. Но в растениях хлорофилл смешан с различными
другими красителями — желтым, зеленым, синим.
Прежде всего, нужно было найти надежный способ
разделения этих красителей. Обычно применяемый в
химических лабораториях метод разделения веществ
здесь не дал результатов. Ни отстаивание, ни
дистилляция не помогли решить эту задачу. Но Цвет с
упорством и настойчивостью работал в своей
лаборатории, извлекая растительные пигменты из листьев
растений.
— Почему не использовать тот факт, — рассуждал
ученый, — что различные вещества в различной
степени адсорбируются на поверхности адсорбента.
В принципе эти вещества и десорбироваться должны
по очереди — сначала наиболее слабо связанные с
поверхностью адсорбента, а потом те, которые имеют
более прочные связи и т. д. А это означает, что можно
.разделить составные части какой-то смеси,
изолировать одну от другой, используя их разные
адсорбционные свойства.
И упорный труд скоро завершился, полным
успехом. Цвет сумел не только разделить растительные
пигменты и изучить свойства хлорофилла, но и дать
теоретическое обоснование новому методу разделения
и анализа сложных веществ — методу хроматографии.
Этот метод напоминает картину, наблюдаемую на
реке. В реку попадают обломки камней, которые вода
подхватывает и несет к морю. Но скоро
обнаруживается, что реке не справиться с этой работой. Самые
крупные камни, которые тяжелее других, быстро
241
физиолог и биохимик. Родился
в Италии, высшее образование
получил в Женевском
университете. С 1897 г. стал
профессором в Петербурге, потом в
Варшаве, в Политехническом
институте. М. С. Цвет
исследовал пигменты растений и искал
методы их разделения. Хрома-
тографический метод описан
был впервые в статье «Об
одной новой категории
адсорбционных явлений и о их
применении в биохимическом
анализе», напечатанной в 1903 г.
Принципы хроматографии
М. С. Цвет изложил в книге
Михаил Семенович Цвет «Хлорофилл в растениях и жи-
(1872—1919)—русский ботаник, вотных» (1910 г.).
падают на дно и почти перестают двигаться. Трение
между ними и руслом реки настолько велико, что они
должны распроститься с мечтой увидеть море.
Камешки поменьше счастливее. У них трение меньше, и они
могут спуститься ниже по течению. Легче всего
мелким песчинкам, которые добираются до дельты реки.
При хроматографии роль трения выполняет
адсорбция. Сам метод заключается в следующем.
Возьмем стеклянную колонку и наполним ее
каким-нибудь адсорбентом. Лучше всего подходит окись
алюминия, которая имеет белый цвет. С верхнего
конца колонки наливают небольшое количество той
смеси, которую нужно разделить. В ней содержится
несколько веществ, которые в различной степени
адсорбируются на окиси алюминия. Известно, что
вещество адсорбируется хорошо в тех случаях, когда
равновесие Адсорбция — Десорбция сильно смещено в
сторону Адсорбции. Такие вещества очень трудно де-
сорбируются с поверхности, на которой они
закрепились, и требуют для этого нагревания до высоких
температур или промывания в большом количестве
чистого растворителя.
Итак, в колонке на самом верхнем слое окиси
алюминия адсорбировалась смесь веществ. Теперь начнем
прибавлять чистый растворитель. Он проходит прежде
всего через те слои адсорбента, в которых
совершалась Адсорбция. Здесь сразу установится адсорбцион-
1 <jk
242
Хроматографическая аппаратура М. С. Цвета.
ное равновесие. Слабо адсорбированные вещества
будут отдавать значительное число своих частиц в
раствор. А более прочно адсорбированные вещества?
Хроматографический анализ —
это метод разделения веществ.
Он обусловлен различиями в
их адсорбционных
способностях. Сейчас применяется
несколько видов хроматографи-
ческого анализа, в том числе
газовая и бумажная
хроматография, жидкостная
хроматография и др. При одной из
разновидностей бумажной
хроматографии — круговой —
разделяемое вещество наносят в
виде капли в центр круга из
фильтровальной бумаги. В ту
же точку капают из пипетки
растворитель. Он равномерно
распространяется во все
стороны, захватывая с собой и
растворяющееся в нем
вещество. Получается, как это видно
на рисунке, несколько
концентрических кругов, содержащих
различные вещества.
243
КОЛОНКУ ЗАПОЛНЯЮТ
АДСОРБЕНТОМ И НАЛИВАЮТ
РАСТВОР, КОТОРЫЙ СОДЕРЖИТ
ВЕЩЕСТВА С РАЗНОЙ
АДСОРБЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ.
ПРИ ПРОМЫВАНИИ АДСОРБЕНТА
ЧИСТЫМ РАСТВОРИТЕЛЕМ
АДСОРБИРОВАННЫЕ ИМ ВЕЩЕСТВА
РАСПРЕДЕЛЯЮТСЯ ПО ВЫСОТЕ
КОЛОНКИ В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ СВОИХ АДСОРБЦИОННЫХ
СВОЙСТВ
У них равновесие смещено в сторону Адсорбции. Эти
частицы будут десорбироваться очень плохо. Поэтому
состав оставшегося адсорбата в этой части колонки
будет отличаться от начальной смеси. В следующий
момент раствор в колонке переместится ниже и
встретит свежую, еще не занятую поверхность адсорбента.
Здесь тоже установится динамическое равновесие и
принесенные растворителем вещества частично будут
задержаны адсорбентом.
Продолжим промывание колонки чистым
растворителем. Верхний слой все больше будет обогащаться
трудно десорбируемым веществом, а нижний слой —
легко десорбируемым веществом. Так все вещества
данной смеси будут распределяться по высоте колонки
соответственно своим адсорбционным свойствам. Если
колонка имеет достаточную высоту и если вещества
окрашены, то можно наблюдать несколько цветных
полос, или зон, которые содержат разные вещества.
— Ты, дорогая сестрица, — оставила свой
нравоучительный тон Десорбция, — не сможешь одна
справиться с этой работой без моей активной помощи.
Каким образом сложная смесь разделится и образует
отдельные, резко ограниченные зоны?
Путь веществ, которые адсорбируются на
адсорбенте, очень труден. Они непрерывно то
адсорбируются, то десорбируются и очень медленно
опускаются вниз. Это напоминает бег по песку. Только
освободишь от песка одну ногу, как уже начинает тонуть в нем
другая. И, конечно, труднее всего будет тем, кто
адсорбируется сильнее других. Их ноги будут «тонуть в
песке» глубже всех и в этом состязании они отстанут
от других. Так формируются группы из частиц с
одинаковыми адсорбционными возможностями, как это
бывает при беге на большие дистанции. Самые
ловкие финишируют первыми. Только здесь не помогают
тренировки. Если одна молекула медлительна, она
может по десять раз в день проделывать этот путь,
но все равно будет на последнем месте.
Таков принцип хроматографии. И люди
используют этот принцип, придавая ему различную форму.
Разделение вещества можно провести, как уже
описано,— в стеклянной колонке, заполненной тем
или другим адсорбентом. Так поступают при обыкно-
245
венной адсорбционной хроматографии. Но есть и
другой способ. На один конец узкой и длинной
бумажной ленты капают небольшую каплю раствора,
содержащего смесь веществ, которую нужно разделить.
Затем этот конец ленты погружают в ванночку с
растворителем или смесью растворителей данных
веществ. Растворитель начинает медленно-медленно
лросачиваться в бумажную ленту и продвигаться с
одного ее конца на другой. При этом движении
растворитель будет передвигать и находящиеся в капле
растворенные вещества. И поскольку они в разной
степени задерживаются на поверхности бумаги, то в конце
концов разделяется. Из одного пятна получится
несколько, именно столько, сколько было веществ в
смеси. Этот способ называют бумажной хроматографией.
Хорошо, когда различные вещества смеси
окрашены в разные цвета. Тогда наблюдать отдельные
пятна на ленте не представляет трудности. Но даже
когда разделяют бесцветные вещества, их все-таки
можно увидеть. В этом случае после того, как
растворитель переместится с одного конца ленты на
другой и станет ясно, что процесс разделения окончен,
ленту вынимают из ванночки и просушивают. Затем
следует небольшая косметическая операция. В
обыкновенный пульверизатор наливают раствор
химического реактива, который при взаимодействии с
исследуемыми веществами образует цветные продукты. Из
этого пульверизатора старательно опрыскивают
высохшую бумажную ленту и перед глазами
экспериментатора одно за другим возникают невидимые до
этого пятна, оставленные каждым компонентом
исследуемой смеси. Эффектно и удобно!
Но в ряде случаев необходимо произвести анализ
и разделение не жидкой, а газообразной смеси. Тогда
применяют газовую хроматографию.
Принцип тот же самый. Небольшую пробу
газовой смеси пропускают через колонку. Она почти
полностью задерживается адсорбентом еще в верхней
"части колонки. Потом через адсорбент продувают
продолжительное время инертный газ — носитель,
который не адсорбируется, но значительно облегчает
десорбцию молекул. Наиболее слабо связанные
молекулы десорбируются — отскакивают от поверхности
246
адсорбента и уносятся инертным газом. Но полет их
длится очень недолго, так как вскоре они
задерживаются следующими свежими слоями адсорбента.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока
газообразные вещества не сгруппируются в отдельные зоны,
а самые легкоподвижные из них не появятся на
другом конце колонки. Здесь непременно нужно
поставить какого-нибудь «сторожа»—регистратора,
который бы отмечал, когда какая порция газа выходит
из колонки. Если газы были окрашены, то эту роль
сторожа может выполнять человек. Но газы чаще
всего бесцветны. Тогда люди ставят на выходе хро-
матографической колонки чувствительный и
беспристрастный регистратор, называемый детектором.
Детектор--прибор, который измеряет некоторые
физические свойства газов. Это может быть
теплопроводность, показатель преломления света или какая-
нибудь другая величина. Когда проходит
определенная порция газа, детектор отмечает значение данного
физического свойства, характерного для
преобладающего в этой порции газа. Когда эта порция газа
кончится, детектор резко изменит свой показатель на
величину, соответствующую инертному газу-носителю.
То же самое будет повторяться и при прохождении
через конец колонки второй, третьей и следующих
порций газа.
Подобный процесс происходит с дымом
обыкновенной сигареты. Роль инертного газа-носителя здесь
выполняет воздух, который непрерывно проходит
через горящую сигарету и ее фильтр. Никотин и другие
смолистые вещества откладываются в начале
фильтра и образуют желто-коричневую полосу. Чем дольше
горит сигарета, тем ближе приближается пламя к
краю и тем дальше сдвигается к краю фильтра
желтая полоса. Поступающий воздух непрерывно
передвигает ее.
— Да, хроматография — хорошая вещь, —
закончила Десорбция. — И этот замечательный метод
разделения и анализа веществ основан на нашей
непримиримой вражде. Если одна из нас двоих отступит,
если, например, я послушаюсь твоих советов и
откажусь от своей профессии, то вещества будут только
адсорбироваться и никогда не смогут послушно
247
разделиться по высоте адсорбционной колонки или по
длине бумажной ленточки. Видишь, сестра, как
находчивы люди. Они сумели использовать даже наши
семейные недоразумения.
— Но ты не ставь себя рядом со мной, — все еще
не сдавалась Адсорбция. — Я могу согласиться, что в
некоторых случаях твои необдуманные поступки
могут оказаться полезными. Но это исключение. Очень
часто я прекрасно обхожусь без тебя. ЧЕМ ТЫ,
ДЕСОРБЦИЯ, МОЖЕШЬ ПОМОЧЬ МНЕ,
НАПРИМЕР, КОГДА ИСПОЛЬЗУЮТСЯ
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИТА
Разве они менее важны, чем хроматография?
И они — прекрасное средство для разделения
веществ. Молекулы одного вещества больше, другого
меньше Почему же нельзя разделять эти молекулы
путем просеивания так же, как разделяют щебень и
мелкий песок с помощью специальных сит с
отверстиями нужной величины? Потребуются только очень
мелкие сита, настолько мелкие, чтобы одни молекулы
через них проходили, а другие задерживались. Но как
сделать эти тонкие сита? Человеку не найти таких
тонких нитей, чтобы сплести это сито, у него нет
таких маленьких буравчиков, чтобы просверлить
сверхмаленькие отверстия. Ведь молекулы очень малы. Их
размеры порядка десятых долей ангстрема. А
ангстремом обозначают одну стомиллионную часть
сантиметра.
Но то, что не в силах сделать человек, он находит
готовым в природе. Природа дала человеку и
чудесные молекулярные сита. Это активные адсорбенты со
множеством узких капиллярных пор. Самые
подходящие — цеолиты представляющие собой природные
минералы или искусственные силикатные материалы.
Их особенностью является то, что решетка атомов,
из которых они построены (атомы алюминия,
кремния и кислорода), образуют как бы ажурную сетку с
«окнами»-входами разных размеров и большими и
малыми порами-полостями. Через цеолиты
пропускают смесь, которую нужно разделить. Некоторые
молекулы веществ, находящихся в смеси, беспрепят-
248
ственно проходят мимо окон-входов внутрь
кристаллов. Другие, более «любопытные», проникают через
отверстия и начинают странствовать в лабиринте из
пор-полостей. Это более мелкие молекулы, размеры
которых меньше отверстий окон-входов. Они будут
проникать внутрь цеолита, там адсорбироваться и
так прочно закрепляться, что даже ты, Десорбция,
со всеми своими хитростями не сможешь найти их и
освободить. Как видишь, сестрица, — закончила
Адсорбция,— я дала в руки людям практический способ
разделения молекул по их размерам. Обыкновенные
сита пропускают мелкие частицы и задерживают
крупные. Молекулярные сита действуют наоборот. Но
результат получается тот же самый — смесь
разделяется на две части. После этого каждую из этих частей
можно пропустить через другое молекулярное сито
с другими размерами пор и таким образом
продолжить разделение. А твое вмешательство здесь только
запутало бы всю работу.
Десорбция не была мелочной, она не стала
спорить и доказывать своей сестре, что и в этом случае
ее помощь необходима. Ведь и здесь нужно было де-
сорбировать, устранить из пор более мелкие
молекулы, чтобы продолжался процесс разделения.
И здесь нужно было очистить адсорбент для
проведения повторного процесса. Недаром название
«цеолиты» переводится с греческого так: кипящие камни,
указывая на то, как бурно выделяют они при
определенных условиях пузырьки адсорбированного в них
газа. Процесс десорбции внешне напоминает здесь
кипение» Десорбция была в миролюбивом
настроении и решила привлечь к защите своего авторитета
каталитические процессы.
— А почему ты не вспоминаешь ничего о
катализе?— обратилась она к своей сестре. — Это один
из важнейших процессов в природе. К ТОМУ ЖЕ,
ТЫ МОЖЕШЬ ГОРДИТЬСЯ —
И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НЕ МОГУТ
БЕЗ АДСОРБЦИИ
Ряд важных химических веществ, как серная и
азотная кислота, аммиак, а также синтетический
249-
каучук, пластмассы и многое-многое другое, получают
Бри участии того или другого катализатора.
Как протекает такой каталитический процесс? Он
проходит через несколько стадий. Прежде всего
реагирующие вещества приближаются к поверхности
твердого катализатора. В этом им помогает наша
подружка Диффузия. Вот они уже рядом с
катализатором и протягивают к нему руки! Как будет
относиться к этому призыву катализатор? Ведь
катализатор не что иное как адсорбент. Конечно, адсорбент,
специально подобранный для данной химической
реакции. Он ничего нэ имеет против принятия на свою
поверхность любопытных молекул. Тут уж ты,
Адсорбция, в своей стихии. Ты немедленно вступаешь
в роль посредника и очень скоро озорные молекулы
оказываются в плену у катализатора-адсорбента. Он
не только крепко держит их на своей поверхности, но
и тянет во все стороны, пытаясь разделить на
составные части. Так, в результате твоего вмешательства
адсорбированные газовые молекулы активируются —
связи, которые у них были между отдельными
составляющими их частицами, ослабевают, а некоторые
даже разрушаются совсем. Такая молекула,
искалеченная и истерзанная, уже готова вступить в
химическое взаимодействие. Она готова обменяться с
другими молекулами некоторыми из своих частиц, лишь
бы только облегчить свои страдания. Тогда на
поверхности катализатора произойдет химическая
реакция и из молекул одного вещества образуются
молекулы другого.
— Видишь? — прервала ее Адсорбция. — Видишь,
даже ты признаешь мою важную роль в этом случае.
Если бы я не уменьшила силы старых связей,
молекулы не смогли бы реагировать между собой или,
точнее, это происходило бы очень медленно.
— Вижу, вижу, — спокойно продолжала
Десорбция.— Но имей терпение! Каталитический процесс не
заканчивается здесь. На поверхности катализатора
образуются новые вещества, которые крепко связаны
с нею, блокируют ее и делают неактивной для
дальнейшего протекания процесса. С одним твоим
участием тут ничего не получится. Теперь нужна я,
Десорбция. Я должна вмешаться и устранить получен-
250
ные продукты реакции с поверхности катализатора.
Они должны десорбироваться и освободить
поверхность катализатора, иначе он превратится в
обыкновенный, безразличный адсорбент. Адсорбция...
реакция... Десорбция. Адсорбция... реакция... Десорбция...
Так должен чередоваться процесс и тогда
резервуары промышленных предприятий заполнятся готовыми
продуктами.
А одна твоя самостоятельная деятельность,
дорогая сестра, ведет к отравлению катализатора.
Сколько неприятностей ты доставляешь людям этими
каталитическими ядами! Ими являются незначительные
примеси в газовой смеси, которые иногда по
недосмотру оказываются в непосредственной близости к
катализатору. Они адсорбируются с нескрываемым
желанием, и особенно сильно оно на самых активных
участках поверхности катализатора. Потому что и
катализаторы, и адсорбенты задерживают чужие
молекулы не на всей своей поверхности, а только на
отдельных, наиболее активных участках, называемых
«активными центрами». Так что ты помогаешь этим
бездельницам, этим отравительницам,
адсорбироваться именно на активных центрах. И они так удобно
располагаются здесь, так прочно адсорбируются, что
очень часто все мои усилия оторвать их напрасны.
Катализатор отравлен. Теперь его нужно сменить,
переработать или выбросить. Видишь, к чему
приводит твое «самостоятельное вмешательство» в этом
случае?!
— Это верно, — согласилась Адсорбция. — Но
разве я виновата? Не могу же я знать, когда что нужно
людям. То мне говорят: «Стой здесь и никого не
пропускай мимо адсорбента!» Ведь таким образом
очищают газы от вредных примесей. То, наоборот, мне
приказывают: «Отпусти эти молекулы и крепко
держи другие!» А потом меня ругают, зачем я их хватаю.
Я уже запуталась! Но ты... ты сама виновата.
Адсорбция продолжала негодовать на свою
сестру. Хорошо, что этот спор и сейчас еще
продолжается. Что бы стало, если бы однажды Адсорбция
смирилась и отказалась от своей работы? Или если
бы Десорбция махнула на все рукой и оставила бы
весь мир в руках своей сестры?
251
Природа и человек — всезнающий учитель и упорный
ученик. Ученик создает машины, которые сильнее
стихийных сил природы. Производит материалы, не
уступающие природным. Строит заводы, на которых
воспроизводит процессы, подобные тем, что совершаются в
лабораториях природы...
Лаборатории природы?! Да! То, что химикам с большим
трудом удается осуществить в огромных заводских
цехах с помощью высоких температур, давления и
дорогостоящих катализаторов, легко совершается в каждой
микроскопической клетке живой природы. Первые
помощники природы здесь — ферменты, вечные катализа-
горы жизни!
На рисунке видны кристаллы фермента — трипсина —
лод микроскопом.
МОГУЩЕСТВЕННЫЙ ХИМИК—КАТАЛИЗАТОР
ДЕНЬ ХИМИЧЕСКОГО ВОЛШЕБСТВА
Думаю, все согласятся, обидно, когда тебт
принимают за мальчика, который ничего не понимает,
несмотря на то, что ты уже ученик четвертого класса.
Веско, старший брат Пети, уже в девятом классе, и
ему простительно относиться к Пете, как к
маленькому. Но Любчо, средний брат, — шестиклассник.
Подумаешь, большое дело! Не такая уж разница между
четвертым и шестым классом!
Любчо очень любит напускать на себя важность.
Он повторяет всякие «сложные» слова, которые
слышит от Веско и его друзей, а когда Петя спрашивает,
что они означают, он обычно говорит:
— Подожди, подрастешь и поймешь!
— Ты сам не понимаешь, а только повторяешь,
как попугай, то, что услышишь от Веско, — сердится
Петя. — Воображаешь, что выглядишь очень умным,
когда говоришь, что уголь окисляется кислородом
воздуха, а не просто сгорает. Железо тоже
окисляется. Я знаю, что и ржавчина — это соединение железа
с кислородом воздуха, и ее тоже называют окислом.
Думаешь, мне папа не объяснит все это, если я его
спрошу?
Действительно, Петин отец всегда все объяснял,
когда его спрашивали. Поэтому Петя был уверен, что
узнает от него, как делают эти волшебные фокусы
его старшие братья с товарищами.
Первое «волшебство» заключалось в том, что эти
«всезнайки» заставляли воду из закрытой бутылки
подниматься вверх и через трубочку в пробке
выливаться наружу. Это происходило, когда они ставили
бутылку в сосуд с очень горячей водой.
На Петин вопрос, почему вода течет вверх, они
отвечали:
— Мы заколдовали ее. Она убегает от тепла!
Потом они открыли бутылку и предложили Пете
засунуть в нее вареное очищенное яйцо. Но целиком,
253
не сломав его. Конечно, Петя не мог этого сделать,
потому что горлышко у бутылки было узкое. Тогда
его брат Веско сказал:
— Теперь смотри, мы его так заколдуем, что оно
само влезет в бутылку!
Он положил яйцо на горлышко, потом вынул
бутылку из горячей воды и поставил ее на стол.
Действительно, яйцо, которое Петя силой не мог
протиснуть через узкое горлышко, само начало медленно
двигаться вниз и упало на дно бутылки.
Петя знал, что колдовства не бывает. Но его
просьбы раскрыть тайны этих опытов были напрасны.
А ему так хотелось показать эти необыкновенные
фокусы своим друзьям!
Отец ему помог:
— Конечно, и ты можешь проделать все это, —
сказал он. — Все очень просто. Теплая вода нагрела
воздух в бутылке, он расширился и стал сильнее
давить на воду и вытеснять ее из бутылки по трубочке.
Когда твой брат вынул бутылку из теплой воды,
воздух в ней начал остывать, сжиматься и давление в
ней стало меньше того, которое имеется вокруг в
атмосфере. Тогда-то атмосферное давление воздуха и
вогнало яйцо в бутылку. А почему ты не заставил
Веско объяснить тебе все то, что выглядело таким
невероятным?
— Он сказал, что я не пойму, потому что
маленький. Сказал, что они с Любчо заколдовали воду, а
потом и яйцо. Но ты ведь видишь, что я понял!
— Вот как было дело... Знаешь, что? Этих
приятелей нужно хорошенько проучить. Пусть-ка
посмотрят твои братья, что можешь ты!
Несколько дней после этого Петя ходил после
школы в химическую лабораторию, где работал его
отец. Это не показалось никому странным, так как
он и раньше любил заходить туда, чтобы посмотреть
интересные опыты.
В субботу отец объявил, что на следующий день,
в воскресенье, будет «День химического волшебства».
— Пригласите после обеда своих друзей, будет
что посмотреть, — сказал он.
Любчо и Веско полюбопытствовали, что именно
они увидят, но отец ответил им, что это тайна. Петя,
254
который в таких случаях проявлял особое
нетерпение, на этот раз неизвестно почему был спокоен.
В воскресенье после обеда «зрительный зал» во
дворе под лозами винограда был подготовлен в пять
минут. Зрители, около 15 мальчиков и девочек,
уселись на скамейки и с нетерпением ожидали, когда
раскроется «занавес» — одеяло, повешенное на двери
летней кухни.
Наступил последний момент. Отец мальчиков
встал перед столом, заставленным чашками, банками,
пробирками, колбами, и начал с нарочитой
важностью:
— Дорогие зрители, добро пожаловать на «День
химического волшебства»! Сейчас вы увидите, на что
способен великий волшебник — катализатор...
— Папа, — прервал его Веско, — подождем Петю.
Его еще нет.
Отец продолжал, как будто не слышал замечания
старшего сына.
— Катализатор — это один из самых
могущественных волшебников химии. Впрочем, ему не нужна
реклама. Вы сами увидите, на что он способен.
Предоставляю ему слово!
«Занавес» раздвинулся и показался...
— О! Петя! — воскликнули с удивлением
некоторые из зрителей.
— А! Петя!.. — протянули разочарованно другие.
Петя ждал, что его узнают, и поэтому не очень
смутился. Он важно погладил длинную белую бороду
из ваты, поправил мантию из ковра, нахлобучил
пониже чалму с блестящей надписью «Катализатор» и
торжественным шагом подошелк столу.
— Я самый великий химик среди химиков и самый
главный волшебник из волшебников! Без меня было
бы меньше, чем есть, или вообще бы не было топлива
для моторов, пластмасс, искусственных удобрений,
пищевых продуктов, каучука и многих других вещей!
Я делаю невозможное — возможным, сложное —
простым, дорогое — дешевым! Мне подчиняются все
живые существа и неживые вещества! Есть среди вас
кто-нибудь, кто сомневается, что это так?! Хорошо —
смотрите сами.
255
— В этом стакане, — и Петя поднял над головой
стакан с бесцветной жидкостью, — раствор перекиси
водорода. Вы его знаете. Это неустойчивое соединение,
оно должно было бы разлагаться на воду и кислород.
Но это сейчас не происходит, так как перекись
водорода «спит». Усыпил ее я, а теперь я же ее разбужу!
Где моя волшебная палочка?
Петя взял со стола черную палочку, помахал ею
над столом и начал:
— Амбра-хадамбра, химбра-хамбра, бим, бам,
бум, чури-бури-бук! Приказываю тебе проснуться!
С этими словами Петя постучал по стакану своей
волшебной палочкой.
Раствор моментально «проснулся». Он начал
пениться, шуметь. Петя взял тлеющую лучинку, поднес
ее к стакану, и она вспыхнула.
— Кислород, — спокойно сказал Петя.
Некоторые закричали «браво» и зааплодировали.
Петя поклонился, улыбнулся до ушей, но сразу снова
стал серьезным и с притворным равнодушием
приступил к следующему опыту.
— Это раствор сульфата меди, хорошо известного
синего камня, или медного купороса, — продолжал
он. — Что произойдет, если я опущу в этот раствор
алюминиевую палочку? Кто-нибудь знает?
Веско вскочил со своего места и сказал:
— Алюминий более активный металл, чем медь.
Поэтому он будет ее вытеснять из сульфата, сам
растворится, а она выделится в виде чистой меди и осядет
на алюминиевой пластинке.
— Отлично! Садись, — сказал Петя так важно, что
все снова начали смеяться. — Вот я опускаю
пластинку... Ну! Почему ничего не происходит? Этот лентяй
алюминий задремал и забыл о своих обязанностях.
Спокойно, товарищи, сейчас я ему напомню.
— Без палочки, без палочки! — закричал Любчо. -—
Кто знает, чем ты намазал свою палочку... Если ты
настоящий волшебник, то можешь и без палочки.
— О, некоторые все еще сомневаются в моей силе.
Хорошо.
Петя протянул руки над стаканом, в котором
алюминий не хотел вытеснять медь из сульфата меди, и
256
только начал свое заклинание, как Любчо опять
прервал его:
— Что ты держишь в руке? Ага — вот твое
волшебство! У тебя что-то в руках!
Не задумываясь, Петя обошел стол и протянул к
публике обе руки с растопыренными пальцами. В них
ничего не было. Для верности он повертел руками,
чтобы доказать сомневающимся, что у него ничего нет.
Потом он вернулся к столу, снова простер руки над
чашей и заговорил свои заклинания. При последнем
слове «бук!» он щелкнул пальцами и... раствор ожил.
Он закипел, и алюминиевая пластинка сразу
потемнела от меди, которая начала выделяться из
раствора.
Петя взял стакан и понес его ребятам, чтобы все
могли получше рассмотреть результаты опыта. Все
опять зааплодировали. Только Любчо не хлопал. Он
был раздосадован, что отец на этот раз сделал своим
заместителем Петю, а не его.
— Я могу зажечь этот кусочек сахара от пламени
свечки, — объявил Петя, когда зрители утихли. — Кто-
нибудь хочет сам проделать это?
Любчо сразу вскочил. Раз может Петя, то почему
не сможет он?
Любчо внес в пламя свечи поданный ему кусочек
сахара, но ничего не получилось. Сахар таял, начал
капать, но не загорался.
— Я не могу зажечь! — сказал он.
— Да, не каждый это сумеет, —
покровительственно заметил Петя. — Нужно попросить помощи у
волшебника-катализатора!
Взяв оставшийся кусочек сахара, Петя подождал,
пока он остынет. Тогда он внес его в пламя. Сахар
загорелся! Петя сразу отодвинул его от свечи и сахар
продолжал спокойно гореть. Ребята опять
зааплодировали. Любчо взял другой кусок сахара и попытался
снова зажечь его, но безуспешно. А Петя зажег и этот
кусок! Любчо схватил Петю за руки и начал их
рассматривать. Убедившись, что на них нет ничего, кроме
обычных мальчишеских царапин, он взял третий кусок
сахара и держал его в пламени, пока не обжег пальцы.
Когда Петя зажег и третий кусок, рассерженный
Любчо сел на свое место.
9 3ai. 520
257
Кусочек сахара горит, если его
посыпать пеплом от сигареты.
В этом случае пепел играет
роль положительного
катализатора.
— Возможно ли невозможное? — торжественно
спросил Петя. — Достаточно мне захотеть — и
невозможное станет возможным. Нужны доказательства?
Хотите, я зажгу эту смесь алюминиевого порошка и
иода с... водой? Да, не удивляйтесь — с водой,
которая гасит огонь.
Петя наклонился над стаканом и сказал:
— О, вода! Стань другом огня! Призови его к себе!
Потом он тихонько зашептал что-то, наклонился,
как бы слушая ответ из стакана, и важно объявил:
— Вода согласна!
Он опустил палец в стакан и подержал его над
кучкой порошка из алюминия и иода. Сначала ничего
не происходило. Публика даже начала терять
терпение. Но вдруг над порошком появилась тонкая
струйка коричневого дыма. Она быстро росла и
превратилась в столб. А потом смесь вспыхнула красивым
пламенем. Даже Любчо, который все еще сердился из-за
своей неудачи с сахаром, признал, что опыт был
красивым. Но он во всем сомневался.
— Это не вода! — прокричал Любчо.
— А что?
— Откуда я знаю, что? Но вода не может ничего
зажечь. Как же она зажжет что-то, если она сама
гасит огонь?
Петя подумал немножко, потом взял стакан и
выпил его содержимое до дна. Ясно, что это была вода.
258
Любчо не мог ничего возразить, и Петя сказал:
— Вы знаете, что сильные кислоты реагируют с
железом. Сейчас будьте внимательны, тогда поймете,
что значит быть волшебником.
Петя гордо огляделся, потом взял со стола
бутылочку с жидкостью, поднял ее и торжественно
произнес:
— О, славная и могучая соляная кислота! Ты,
которая так легко растворяешь большинство металлов,
слушай меня и подчиняйся моей воле! Быстро
раствори этот железный гвоздь!
Петя наклонил бутылочку над одним из сосудов
и залил соляной кислотой лежащий в нем гвоздь.
Кислота как будто закипела — так много пузырьков
появилось на гвозде. Жидкость начала быстро
желтеть.
— А теперь, могучая соляная кислота, —
продолжал Петя, заливая соляной кислотой второй гвоздь
в стакане, — теперь оставь целым и невредимым этот
гвоздь. Мой приказ: не растворять его! Слушай и
повинуйся!
Конечно, никто не ожидал, что соляная кислота
послушается Петю, потому что все видели, как она
действует в предыдущем опыте. Поэтому все были
поражены, когда действительно не последовало
никакой реакции.
— Догадался, догадался! — вскочил неожиданно
Любчо. — Ты намазал гвоздь чем-то, что мешает
кислоте добраться до него. И я могу проделать такой
фокус. И это сделало бы меня волшебником!
Петя смутился, попытался придумать какое-нибудь
опровержение, но не смог, рассердился и сказал:
— Раз вы мне не верите, я больше ничего вам не
покажу!
Он повернулся и быстро ушел в дом.
Любчо торжествовал, что «разоблачил»
волшебника, но не долго. Встал отец и подошел к столу.
— Гвоздь ничем не намазан, Любчо. Вот этот
гвоздь здесь продолжает растворяться. По-твоему, он
реагирует потому, что не намазан, так? Смотри...
Отец вынул щипчиками гвоздь из сосуда, где он
растворялся, и положил его туда, где уже лежал
гвоздь, отказавшийся реагировать с кислотой. Все с
9*
259
любопытством ждали, что произойдет. Но ничего не
произошло. Гвоздь не реагировал.
— Видишь, Любчо, не от гвоздя зависит, будет ли
протекать реакция, а от кислоты.
В это время из дома вышел Петя, уже без
волшебного наряда, под аплодисменты ребят сел среди
зрителей.
— Раз волшебник капризничает и сердится, —
сказал отец, — я в наказание ему выдам все его тайны.
ВОЛШЕБСТВО РАСКРЫТО
Эти слова обрадовали всех.
— Его волшебства такие простые, что каждый из
вас может повторить их дома, — начал Петин отец.
— А где мы возьмем реактивы? — спросил кто-то.
— И об этом я вам скажу. Так вот: «волшебная
палочка» была намазана одним «волшебным»
веществом, которое ускоряет разложение перекиси
водорода. Двуокись марганца — так называется
катализатор, который попал в сосуд, когда Петя окунул туда
палочку. Он и вызвал бурное разложение перекиси
водорода. Этот катализатор можно извлечь из
отработанной батарейки электрического фонарика. Черный
порошок около графитового электрода в батарейке и
есть двуокись марганца. Прежде чем ее использовать,
промойте ее несколько раз в воде.
Сульфат меди во втором опыте часто
употребляется для опрыскивания растений. Алюминия вы
найдете сколько угодно — крышки на банках с компотом
из алюминия. Нужно только сначала соскоблить с
них лак, чтобы открылась чистая поверхность
металла. Поскольку реакция вытеснения меди из сульфата
меди протекает медленно, нужен катализатор,
который бы ускорил ее. Им является хлорид натрия —
обыкновенная поваренная соль. У «волшебника» на
пальцах было немножко соли, и когда он щелкнул ими
над сосудом, кристаллики соли упали в нее. Поэтому
процесс сразу пошел с большой скоростью.
Третий фокус — зажигание сахара—тоже
невозможен без катализатора. Роль катализатора в этом
случае играют соединения лития, которые содержатся
260
в пепле обыкновенной сигареты. Когда «волшебник»
взял кусочек сахара от Любчо, на его пальцах уже
был пепел от сигареты, который прилип к сахару.
Поэтому он и загорелся,
— Смотри, какой обманщик! — проворчал Любчо,
вызвав общий смех.
— Между алюминием и иодом, когда они сухие,
не протекает видимая реакция. Но вода ускоряет
реакцию— в этом случае она является катализатором.
Вы видели, как происходит взаимодействие, если в
смесь алюминиевого порошка и иода добавить
несколько капель воды. Порошок алюминия продается
под названием алюминиевой бронзы, им пользуются
для окраски металлических изделий. А
кристаллический иод можно получить, выпарив спирт из йодной
настойки, которая продается в аптеке.
Соляная кислота, с помощью которой был
поставлен последний опыт, вещь опасная и я не рекомендую
вам самим делать этот опыт. «Волшебник» заставил
реакцию прекратиться незаметно для вас, положив во
вторую чашку немножко особого вещества —
уротропина. Уротропин играет роль «отрицательного»
катализатора в этом процессе, так как он задерживает его.
Если кто-нибудь из вас решит повторить эти опыты
дома, а это совсем не трудно, я хочу предупредить
вас о следующем: во-первых, всегда проводите опыты
в посуде, которая не используется для еды или для
хранения продуктов питания, потому что многие
реактивы не только не безвредны, но даже ядовиты,
особенно сульфат меди. После опыта нужно хорошенько
вымыть с мылом не только всю посуду, но и руки.
Во-вторых, опыты нужно проводить не в комнате, а
на воздухе...
Так! Теперь, есть ли у вас вопросы?
Вопросов было много, как всегда. Ребята едва
дождались, когда отец троих мальчиков кончит
говорить.
— Дядя Гоша, — спросил толстый Саша, который
много читал, много знал и носил очки, — как это
совсем небольшое количество катализатора может
заставить разложиться всю перекись водорода? И
сколько пепла от сигареты может остаться на пальцах,
что он вызывает горение целого куска сахара?.,
261
Если литиевых соединений мало, они, реагируя, будут
быстро уничтожаться и огонек на сахаре должен
погаснуть! Это мне не ясно.
— Катализатор, Саша, только изменяет скорость
реакции, облегчая или затрудняя ее протекание. Он не
входит в состав продуктов реакции. После окончания
реакции оказывается, что его количество остается тем
же, каким оно было и до начала процесса. Состав
его тоже не изменяется. Вообще, он не претерпевает
никаких химических изменений, в результате которых
мог бы превратиться в другое вещество. Он не
расходуется и поэтому малое количество катализатора
может вызвать взаимодействие больших количеств
реагирующих веществ.
— Если не изменяется ни количество, ни состав,
то значит, катализатор не реагирует химически с
вещества-ми? А как же он тогда действует, чтобы
ускорить или замедлить реакцию?
— Не только у Саши есть вопросы, —- запротесто--
вала Надя. — Меня интересует, кто открыл
катализаторы и вообще их история.
— А мне кажется, что интереснее узнать
что-нибудь о том, как действуют катализаторы, — вмешалась
Мария. — Ведь вы слышали, что есть «отрицательный»
катализатор, вероятно, есть и положительные, дядя
Гоша?
'— Я не могу отвечать сразу на все вопросы,—
сказал отец: — Лучше я расскажу вам по порядку
историю, объясню действие катализаторов, как и где
они" используются, а потом уже, если вас будет
интересовать еще что-то, вы спросите у меня.
Все согласились, что это самое правильное, и дядя
Гоша начал свой рассказ,
ИСТОРИЯ КАТАЛИЗА
В начале XIX века английский ученый Гемфри
Дэви проделывал, следующий опыт. Он помещал в
смесь газа метана и воздуха кусок платины. При этом
платина раскалялась так сильно, что начинала даже
светиться. Когда ее вынули из этой газовой смеси и
охладили, Дэви снова поместил ее в эту же смесь,
262
И опять платина накалилась так, что стала светиться.
Дэви повторил этот опыт много раз с разными
металлами. Оказалось, что палладий тоже раскаляется.
А с медью, серебром, железом и некоторыми другими
металлами этого не наблюдается. Из этих опытов
Дэви сделал вывод, что платина и палладий ускоряют
горение метана настолько сильно, что его не нужно
даже поджигать. В их присутствии метан горит при
комнатной температуре, а выделяемая при сгорании
метана теплота нагревает тела до свечения. Интересно
было и то, что, ускоряя эти реакции, платина и
палладий не изменялись. Взвешивая их до и после реакции,
Дэви установил, что эти металлы не реагируют ни
с метаном, ни с кислородом воздуха, поскольку они
сохраняли свой вес.
Другой английский ученый Джон Пристли своими
опытами привлек внимание химиков конца XVIII века.
Он пропускал пары спирта через нагретую глиняную
курительную трубку. Самым интересным в его опыте
была не трубка, а то, что пары спирта, проходя через
нее, разлагались на этилен и воду. Если трубка не
была предварительно нагрета, пары спирта не
разлагались.
Подобный опыт провел несколько позже
современник Дэви — Мартин ван Марум. Вместо
глиняной трубки он пропускал пары спирта через трубочку,
в которую вставлял различные нагретые металлы:
медь, серебро, железо, олово... Пары спирта и на этот
раз разлагались, но получался -не этилен и вода, а
ацетальдегид и водород. Получалось, что при
разложении одного и того же соединения,.например
обыкновенного спирта, могут образоваться в одном случае
одни продукты, в другом — другие, в зависимости о г
того, с чем соприкасаются пары спирта, — с
глиняными стенками или с поверхностью металла.
Интерес химиков прошлого века к этим явлениям
был вызван и другими причинами. Очевидным было
следующее: конечные продукты, которые получались
в результате реакции, зависели от вещества,
контактирующего с парами спирта; само же это вещество
до конца реакции не изменялось ни количественно, ни
качественно. Другими словами, глина и металл влияли
на направление и скорость реакции, но сами как
263
будто не участвовали во взаимодействии. Не странно
ли это?
Многие химики занимались исследованием этих
странных реакций. Немецкий химик Иоганн Доберей-
нер открыл, что пары спирта окисляются еще при
комнатной температуре, если они смешаны с воздухом
и соприкасаются с очень тонким порошком платины.
Окисление двуокиси серы в трехокись серы, которое
при обыкновенных условиях идет очень медленно
(практически совсем незаметно), тоже будет
совершаться вполне гладко, если смесь двуокиси серы с
воздухом будет контактировать с платиной.
Чтобы подчеркнуть, что подобные реакции
совершаются, когда реагирующие вещества вступают в
контакт с поверхностью каких-либо веществ, немецкий
ученый Эйльгард Митчерлих назвал их контактными
реакциями. В 1835 году шведский химик Якоб Берце-
лиус ввел специальное название для веществ,
изменяющих скорость реакции. Он назвал их
катализаторами. Катализаторы — это вещества, обладающие
способностью изменять скорость какой-либо реакции, не
претерпевая при этом никаких видимых химических
изменений. После окончания реакции катализатор
сохраняет первоначальное количество и качество.
Реакции этого типа, совершающиеся в присутствии
катализаторов, называют каталитическими, а само
явление— катализом.
— А что означает это слово «катализ»? — спросил
Веско.
— Это слово греческого происхождения и
означает распад или разложение. Сейчас под
каталитической реакцией понимают любую реакцию,
протекающую под влиянием катализатора, независимо от того,
разлагает она или соединяет вещества. При этом
катализаторы, которые ускоряют реакции, называются
положительными. А те катализаторы, которые
уменьшают скорость реакции, называются отрицательными.
Вот, например, перекись водорода — очень нестойкое
химическое соединение. Она довольно быстро
разлагается на воду и кислород. Но перекись водорода
можно хранить долгое время, если добавить в нее
совсем немного барбитуровой кислоты. Эта кислота —
264
ИЗ ОДНОГО ВЕЩЕСТВА МОЖНО ПОЛУЧИТЬ РАЗЛИЧНЫЕ
ПРОДУКТЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КАТАЛИЗАТОРА
Иоганн Вольфганг Доберейнер
(1780—1849)—немецкий химик,
профессор химии, технологии
и фармации в Иене. Большое
значение имели его
исследования по разделению платиновых
металлов. В 1821 г. он
натолкнулся на тот факт, что
платиновая чернь (тонкий порошок
платины, полученный при
восстановлении водного раствора
соли платины) уже при
комнатной температуре вызывает
окисление паров спирта
кислородом воздуха до уксусной
кислоты. Он установил также,
что платиновая чернь
взрывает гремучий газ (смесь
водорода и кислорода в
соотношении 2:1), воспламеняя струю
водорода. На основе этого
опыта Доберейнер
сконструировал водородную горелку,
которой широко пользовались на
практике. По существу, все
изученные Доберейнером
реакции на платиновой черни
являлись каталитическими. Таким
образом, он подготовил почву
для создания теории
каталитических процессов.
Доберейнер один из первых
предпринял попытку
классифицировать элементы по их
атомным весам. Он сгруппировал
элементы по сходным
свойствам в тройки, так называемые
триады. Таким образом, его
можно считать
предшественником Д. И. Менделеева.
отрицательный катализатор, потому что она намного
уменьшает скорость разложения перекиси водорода.
Вы видели, как действует двуокись марганца: она
является положительным катализатором при
разложении перекиси водорода, ускоряя эту реакцию во много
раз. На практике очень часто используются
положительные катализаторы, но в некоторых случаях и
отрицательные играют большую роль. Длительное
хранение непрочных, быстро разлагающихся соединений
было бы невозможно без отрицательных
катализаторов. Кроме того, вы убедились, что растворение гвоздя
в кислоте практически остановилось, когда мы
использовали отрицательный катализатор, в данном случае
уротропин. Это подсказало возможность
предохранения металлов от коррозии, используя вещества,
замедляющие этот процесс, т. е. отрицательные
катализаторы.
266
— Папа, скажи правду, было что-нибудь положено
в воду, которой Петя зажег смесь алюминия и иода?
Неужели обыкновенная вода может быть
катализатором?— спросил Любчо.
— Что тебя так удивляет? Нет обыкновенных и
необыкновенных веществ. Известно много таких
реакций, которые протекают только в том случае, если
реагирующие вещества не будут совершенно сухими.
Ведь ты знаешь стеклянную вазу с матовым узором,
которая есть у нас. Если помнишь, я объяснял вам,
что узор сделан фтористоводородной кислотой,
которая вытравила стекло в этих местах. Известно, что
если стекло будет абсолютно сухим, а кислота
безводной, то взаимодействия между ними уже не будет.
Достаточно ничтожно малого количества водяных
паров, и произойдет травление стекла.
— Дядя Гоша, значит, катализаторами могут быть
и жидкости? — спросила Надя.
— Не только жидкости, а любое вещество,—
твердое, жидкое или газообразное. На практике чаще
всего используются твердые катализаторы. Если
Эйльгард Митчерлих (1794 —
1863) — немецкий химик,
профессор Берлинского
университета. Митчерлих впервые
получил много ценных веществ —
нитробензол, бензолсульфоно-
вую кислоту, бензофенон,
селеновую кислоту; он установил
некоторые важные зависимости
между физическими и
химическими свойствами минералов,
предложил методы их
искусственного получения.
Митчерлих открыл закон
изоморфизма — закон одинаковости
кристаллических форм при
различии состава. Важны работы
Митчерлиха и в области
катализа.
Интересно, что Митчерлих
был также специалистом по
языкознанию, владел многими
иностранными языками,
успешно занимался популяризацией
науки. Его учебник химии в
267
двух томах долгое время
оставался самым популярным в
Германии.
катализатор и реагирующие вещества находятся в
растворе или представляют собой смесь газов, — другими
словами, если они образуют однородную, гомогенную
смесь, то происходит гомогенный катализ. Если
катализатор — твердое вещество, а реагирующие
вещества— жидкости или газы, или катализатор —
жидкость, а реагирующие вещества — газы, одним словом,
если смесь неоднородна, гетерогенна, то происходит
гетерогенный катализ. Гетерогенным является и
катализ, при котором и катализатор, и реагирующие
вещества находятся в твердом состоянии.
Есть еще один, третий вид катализа —
микрогетерогенный катализ. При этом виде катализа
катализатор рассеивается в виде коллоидного раствора в
реагирующей смеси.
— Дядя Гоша, почему вы не принесете такой
катализатор, который вызывал бы разложение воды на
водород и кислород при комнатной температуре. Мы
бы получили сколько хочешь кислорода и
водорода и провели бы интересные опыты. Положим
катализатор в воду—и она начнет разлагаться. Мы
соберем...
— Подожди, Мария, — остановил дядя Гоша
девочку.— Я должен объяснить вам кое-что очень
важное, потому что иначе у вас будет ошибочное
представление о катализаторах. Я уже говорил, что
катализатор может только изменять скорость реакции.
Например, он увеличивает скорость какой-то
химической реакции, которая совершалась бы и без
катализатора, но с очень небольшой скоростью.
Сам же катализатор не может вызывать химической
реакции.
— Разве разложение воды на кислород и
водород— невозможная реакция? — удивилась Мария.
— Ты опять меня не поняла. Верно, что
химические реакции могут протекать в двух направлениях —
образовывать соединение или наоборот — разлагать
его на исходные вещества. Но при данных условиях
протекает одна из этих реакций. Подожди... Как бы
тебе это объяснить так, чтобы ты поняла?
Дядя Гоша задумался.
— Знаете что? Мы сделаем модель.
268
МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
— Петя, дай-ка стеклянный шарик, а я найду
дощечку.
Все удивились: «Что значит — сделать модель
химической реакции. Можно ли шариком и дощечкой
показать, как проходит химическое взаимодействие?»
— Вот шарик, вот дощечка, — сказал отец. —
Сейчас вы все поймете. Сначала запишем уравнение
реакции так, как его записывают настоящие химики.
И дядя Гоша написал мелом на небольшой черной
доске, которая висела на стене летней кухни:
2Н2 + 02 z^=± 2H20
водород кислород вода
В данный момент дощечка лежит на столе и
шарик не катится, потому что он находится в
равновесии. Предположим, что и смесь реагирующих
веществ — водорода, кислорода и воды — находится в
состоянии равновесия, т. е. сколько молекул воды
образуется в единицу времени, столько же и
разлагается вновь на водород и кислород. Понятно, что в
этом случае соотношение всех этих веществ в
реакционной смеси не изменяется. На первый взгляд
кажется, что никакого взаимодействия не происходит.
Но в действительности атомы водорода и кислорода
непрерывно соединяются друг с другом, а молекулы
воды непрерывно разлагаются, освобождая то же
самое количество водорода и кислорода. Химики
говорят так: «Система находится в подвижном,
динамическом равновесии».
Я могу заставить шарик катиться до середины
дощечки и влево и вправо. Реакция, которую мы
изобразили этим уравнением, — отец показал на доску,—
тоже может протекать в обе стороны, разлагая
молекулы воды на кислород и водород или наоборот,
образуя из них воду. Стрелочки как раз и указывают на
эту возможность. Но чтобы сместить равновесие,
необходимо создать условия. Направление, в котором
покатится шарик, зависит от того, какой конец
дощечки будет приподнят. Если мы поднимем левый
конец—шарик покатится вправо, если правый—он
будет катиться влево.
269
Теперь вернемся к нашей реакции. Посмотрите на
уравнение. В каком направлении будет идти реакция —
вправо или влево — зависит от температуры. Если мы
ее повысим, реакция пойдет, согласно уравнению,
налево, часть молекул воды будет разлагаться на
водород и кислород. И наоборот, если мы понизим
температуру, реакция пойдет направо, часть молекул
водорода и кислорода начнет взаимодействовать и
количество воды в этой смеси будет увеличиваться.
Дядя Гоша приподнял чуть-чуть левый конец
дощечки и очень осторожно установил шарик где-то на
ее середине. Это удалось ему не сразу.
— Вот теперь мы создали условия, при которых
шарик может катиться, но этого не происходит.
Мешает некоторая шероховатость дощечки. Но
достаточно незначительного толчка — и шарик начнет
двигаться. Такое положение называют неравновесным.
Обратите внимание: толчок вызовет только движение
шарика, но не определит направление этого движения.
Направление движения зависит только от того, какой
конец дощечки мы приподнимем.
В таком же неравновесном состоянии может
находиться и реакционная смесь из водорода, кислорода
и воды. Возьмем, например, смесь равных количеств
кислорода и водорода. При комнатной температуре
реакция должна бы идти направо, образуя воду. Так
как скорость реакции при этой температуре очень
мала, потребуются сотни лет, чтобы получить такое
количество воды и смеси, которое соответствовало бы
равновесию для данных условий. В этом случае, как
и в опыте с шариком, нужен небольшой толчок, чтобы
реакция пошла. Этим «толчком» может быть
нагревание. Горящая спичка может ускорить реакцию, даже
вызвать взрыв. Но при этих условиях, как и у шарика,
существует одно-единственное возможное направление
для протекания реакции — она будет идти направо,
соединяя кислород и водород в воду.
Реакция в этой неравновесной смеси водорода и
кислорода может быть ускорена и без нагревания.
Достаточно в эту смесь внести катализатор — губчатую
платину — и взаимодействие будет протекать со
взрывом. Но направление реакции и в этом случае
определяется не катализатором, а условиями. В обоих
270
случаях — и со спичкой, и с катализатором — реакция
будет идти до установления одного и того же
количественного соотношения между продуктом
реакции и реагирующими веществами при данной
температуре.
В нашей модели роль катализатора играет
устранение трения, препятствующего движению шарика.
Катализатор как бы уничтожает те неровности, которые
мешают движению. Доска становится гладкой и
шарик начинает катиться. Ясно, что направление
движения зависит не от сглаживания неровностей, а от
того, какой конец доски приподнят.
Все, что я вам объяснял, показывает, что
катализатор только изменяет скорость, с которой
достигается химическое равновесие в неравновесной
химической системе. Но он не может изменить положение
равновесия.
— Что это означает — положение равновесия? —
спросил Любчо.
— Именно это я и хочу объяснить вам, — сказал
отец. — В присутствии катализатора реакция
протекает до тех пор, пока не установится такое
соотношение веществ в системе, которое было бы достигнуто и
без него через достаточно долгое время. Итак, с
катализатором или без него достигается то же самое
положение химического равновесия, соответствующее
данным условиям (температуре, давлению), но
скорость достижения этого равновесия будет различной.
Катализатор может в миллионы раз увеличить
скорость достижения химического равновесия. На этом
основано широкое использование катализаторов в
химической промышленности. Теперь тебе понятно,
Мария, почему я не могу принести вам такой
катализатор, который вызывает разложение воды при
комнатной температуре?
— Думаю, что поняла. При комнатной
температуре смесь воды, водорода и кислорода находится в
химическом равновесии, для которого характерно
много воды и ничтожно мало кислорода и водорода. Нет
такого катализатора, который мог бы
изменить-положение равновесия. Наоборот, водород и кислород при
комнатной температуре представляют собой
неравновесную химическую систему, но реагируют очень
27]
ДОСТАТОЧНО ЛЕГКОГО ТОЛЧКА, ЧТОВЫ ШАРИК ПОКА-
ТИЛСЯ. НО ОТ ТОЛЧКА НЕ ЗАВИСИТ НИ НАПРАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ, НИ МЕСТО, ГДЕ ОН ОСТАНОВИТСЯ.
КАТАЛИЗАТОР ТОЖЕ ИЗМЕНЯЕТ ТОЛЬКО СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ, НЕ
ВЛИЯЯ НА РАВНОВЕСИЕ
КАТАЛИЗАТОР
медленно. Поэтому катализатор может ускорить эту
реакцию.
— Я рад, что ты поняла, потому что это очень
важно для катализа и нужно знать.
— А то, что спрашивал я, не обязательно знать,
дядя Гоша? — спросил толстый Саша.
— Извини, Саша, но я забыл, что именно ты
спрашивал?
— Вы говорили, что после химической реакции
катализатор остается в том же количестве, как в начале
реакции, и не изменяет свой состав. Выходит, что он
влияет на реакцию, вызывает изменение ее скорости,
не реагируя химически с веществами, участвующими
в ней. Как же это возможно? Что это за особая сила,
которой обладает катализатор? Выходит, что он вроде
философского камня алхимиков.
— Еще Бериелиус думал, что катализатор
обладает какой-то особой силой. Но сейчас точно
установлено, что в каталитических процессах проявляются
обычные химические валентные силы, а не какие-то
особые каталитические силы. А относительно
«философского камня» должен тебе сказать, что иногда
катализатор называют «философским камнем XX века».
Катализаторы заслуживают это название, так как их
возможности, действительно, огромны. Около 70%
химических производств связаны с использованием
катализаторов. Так, например...
— Дядя Гоша, — робко перебил его Саша, — вы
опять не объяснили мне, как действуют катализаторы,
изменяя скорость химической реакции?
— Верно. Признаюсь, это трудная задача. Чтобы
разобраться в ней, и вам и мне придется немало
потрудиться. Если будет неясно, сразу спрашивайте
у меня.
— Папа, будто ты не объяснял нам и другие
сложные вещи?.. Разве мы не поняли? — заметил
Веско.
— Да, я знаю, вы умные ребята. Я говорю
так только для того, чтобы вы были внимательны.
Вопрос действительно заслуживает основательного
разбора.
Итак, начнем. Но с чего? Вы не поймете, как
действует катализатор, если не знаете механизма проте-
273
кания обычной химической реакции без катализатора.
Поэтому начнем с этого. ИТАК, КАК ПРОТЕКАЕТ
РЕАКЦИЯ
БЕЗ КАТАЛИЗАТОРА
Дядя Гоша подошел к доске и написал уравнение:
2HI ч=> Н2 + 12
йодистый водород иод
водород
— Если мы возьмем чистый йодистый водород и
нагреем его, он будет разлагаться на водород и иод.
Понятно, что при этой реакции химическая связь
между атомами иода и водорода в каждой молекуле
йодистого водорода разрушается и возникает
химическая связь между двумя атомами водорода —
молекулой водорода — и двумя атомами иода — молекулой
иода. Впрочем, любая химическая реакция, в
сущности, представляет собой перегруппировку атомов в
результате разрушения одних и создания других
химических связей. Такая перегруппировка станет
возможной, если реагирующие молекулы при встрече
подойдут на близкое расстояние друг к другу. Кроме
того, нужна энергия для разрушения одних связей и
создания других. Что это так, вы убедитесь, если
проследите, как проходит реакция между газами, где все
происходит сравнительно просто. Химические
валентные силы обладают свойством насыщаться. Другими
словами, валентная сила атома иода насыщается
валентной силой атома водорода в молекуле йодистого
водорода и не может участвовать в образовании новой
валентной связи с другим атомом. Поэтому две
молекулы йодистого водорода могут реагировать только,
если связи в них разрушатся. Или, по крайней мере,
сила этих связей должна уменьшиться настолько,
чтобы появилась возможность создания новых связей
между двумя атомами иода и двумя атомами
водорода. Тогда из этих двух молекул йодистого водорода
образуется молекула иода и молекула водорода.
Исследовав скорость протекания реакции между
газами, ученые установили, что каждая молекула
встречается и сталкивается с другими молекулами
несколько миллиардов раз в секунду. Если бы каждый
275
А
2
ш
н-
и
X
... .. и
ОС
а.
ш
i*
Пг
■^
~
О
к
и^
>^
N
1 СРЕДНЯЯ ЭНЕРГИЯ | ^
ИСХОД
СРЕДИ
1НЫХ ВЕЩЕСТВ Е,
1
ЯЯ ЭНЕРГ
ИЯ ПРОД
\1
УКТОВ Р
^""Ч
0 1
ш 1
АЦИ*
со
X
н-
1ЕРГИЯ AY
л.
/
Ч
О °
55
ЕПЛС
ФФЕ1
ЕАКЦИИ 1
ХОД PZ
^.
=2
ЕАКЦИИ
-«^1
""Т
удар молекул завершался химическим
взаимодействием, любая реакция между газами совершалась бы
практически мгновенно. В действительности скорость
химических реакций различна. Было вычислено, что
только один удар из многих миллионов соударений
молекул завершается химическим взаимодействием.
Как это объяснить? Дело в том, что в любой
газовой смеси молекулы двигаются непрерывно и
хаотично во все стороны. Они сталкиваются и при
ударах все время меняют свою скорость движения. В
любой момент в газовой смеси имеются молекулы и с
очень большой энергией и с очень малой, хотя общее
количество энергии в смеси при данных условиях
остается постоянным. Мы уже говорили, что для
взаимодействия между собой молекулы должны разорвать
или уменьшить валентные связи между частицами,
которые их составляют. При этом любая связь имеет
определенную прочность. Чтобы ее разрушить или
хотя бы уменьшить ее силу, нужно затратить какое-то
количество энергии. Чем крепче связь, тем большее
количество энергии потребуется для ее разрушения.
Согласно современным взглядам, при столкновении
молекул реагировать могут только такие молекулы,
чья общая суммарная энергия не меньше некоторого
определенного количества энергии, необходимого для
разрушения или хотя бы уменьшения силы их
валентной связи. Такие молекулы называются
активными. Минимум энергии, необходимой для разрушения
или уменьшения силы валентных связей, называется
энергией активации.
Рассмотрим пример с йодистым водородом.
Встречаются две молекулы, и прочность валентных связей
в них начинает уменьшаться и одновременно
начинают создаваться новые связи. Образуется
неустойчивая группа, или, как ее называют, переходный
комплекс. В нем старые валентные связи между атомами
водорода и иода еще не разрушились полностью, а
новые между двумя атомами водорода и между двумя
атомами иода еще не образовались.
Связи в переходном комплексе мы обозначаем
пунктирной линией. Этот неустойчивый неравновесный
комплекс стремится к равновесию. Если новообразую-
щиеся валентные связи крепче разрушающихся
277
старых, то комплекс распадется на новые молекулы —
в данном случае на молекулу водорода и молекулу
иода. Но это может и не произойти, если
встретившиеся молекулы не обладают энергией, достаточной для
того, чтобы разрушить старые валентные связи или
уменьшить их прочность. В этом случае комплекс
распадется опять на отдельные молекулы йодистого
водорода. Если сумма энергий двух молекул равна или
больше энергии активации, прочность старых связей
уменьшается. Они разрушаются, образуют новые
связи, и неустойчивый комплекс распадается на одну
молекулу водорода и одну молекулу иода. При этой
реакции выделяется определенное количество тепла. Так
как выделение тепла означает уменьшение энергии в
системе, очевидно, что продукты реакции будут иметь
меньшую энергию, чем исходные вещества. Весь ход
такой реакции ученые изображают с помощью
графика. Сделаем это и мы с вами.
Дядя Гоша начертил две прямые линии,
вертикальную и горизонтальную, пересекающиеся в одной
точке.
— По вертикальной линии наносят значения
энергии химической системы, которая в начальной точке
пересечения осей считается нулевой. Я вам говорил,
что в газовой смеси в любой момент находятся
молекулы с самой разной энергией. Но средняя энергия,
то есть общая энергия системы, деленная на число
молекул системы, одинакова для данных условий.
Если среднюю энергию исходного вещества
обозначить Е] и нанести ее по вертикальной линии, то
средняя энергия продуктов реакции Е2 должна быть
нанесена ниже, так как она меньше Е\ на столько,
сколько выделилось тепла Q во время реакции. Другими
Я говорил вам также, что при встрече реагируют
только активные молекулы, то есть те молекулы,
общая суммарная энергия которых настолько больше
средней энергии, что ее хватает для разрушения
валентных связей и создания условий для образования
новых валентных связей. Этот необходимый минимум
энергии выше средней называют энергией активации
и обозначают его Еа.
278
Итак, энергетический ход каждой реакции
начинается от средней энергии исходного вещества,
поднимается к энергии активации и заканчивается у
средней энергии продуктов реакции. При этом путь
возможен в двух направлениях.
Почти каждая реакция напоминает туристский
маршрут, который проходит через вершину горы.
Скажем, ваша группа, собравшаяся сегодня здесь, должна
совершить такой поход. Как и в газовой смеси, так
и в вашей группе, силы участников неодинаковы.
Поэтому вершины смогут достичь только те, кто
обладает достаточной энергией. А достигнув вершины, им
уже не представляет труда спуститься по
противоположному склону в конечную точку маршрута.
Конечно, и более слабые могут достигнуть
вершины, если запасутся нужной энергией. Они должны
вернуться обратно и хорошенько закусить перед
походом. Особенно полезен в этом случае сахар и мед,
потому что они дают много энергии. Таким образом,
переход через горную вершину для этих ребят будет
длиться дольше.
— Дядя Гоша, а если вершина будет не очень
высокой? — спросил Миша.
— А ты сам как думаешь, Миша?
— Я думаю, что большинство участников похода
смогут довольно быстро преодолеть гору.
— Очевидно, ты прав. Скорость реакции
определяется числом молекул, которые за единицу времени
преодолевают этот энергетический барьер, — так
ученые называют вершину. В этом случае скорость
реакции...
— ...будет тем больше, чем ниже вершина...,
вернее, чем ниже энергетический барьер, — прервал его
нетерпеливый Саша.
— Правильно, Саша. Для каждой реакции
характерна определенная энергия активации. Чем она
больше, тем выше энергетический барьер, который
нужно преодолеть (это видно из рисунка), тем меньше
будет скорость протекания реакции.
Теперь вы мне скажите: как нужно поступить,
чтобы большинство участников похода быстро
достигло конечного пункта на противоположной стороне
горы?
279
ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ НАПОМИНАЕТ ТУРИСТСКИЙ
ПОХОД, МАРШРУТ КОТОРОГО ПРОЛОЖЕН ЧЕРЕЗ ВЕРШИНУ
ГОРЫ. ТОЛЬКО СИЛЬНЫЕ МОГУТ ПРЕОДОЛЕТЬ ВЕРШИНУ
ЭНЕРГИЯАКТИВАЦИИ
Все начали шептаться, обмениваться мнениями.
Тут встал длинный, как шест, Цанко.
— Я знаю, — заявил он. — Все будет просто, если
построить лифт.
Все засмеялись.
— Цанко, не хочешь ли вертолет? — спросил
кто-то.
— Конечно, для туристов все эти способы
годятся, — вмешался дядя Гоша. — Но молекулы-то могут
рассчитывать только на свои силы.
Тогда поднялся Веско.
— Не остается ничего другого, как перед походом
всем участникам набраться побольше сил. Может
быть, дать им сахару, меда, молока, раз они
увеличивают силы человека?
— Есть способ полегче, — сказал Миша. — Если
они перейдут через более низкую вершину, то
кружным путем они дойдут до конечного пункта и сохранят
свои силы.
— Правильно. И оба способа, о которых вы
говорили, применяются для ускорения химических
реакций. «Усиление» молекул достигается нагреванием
реагирующих веществ. Нагревание увеличивает запас
энергии, активность молекул, способных преодолеть
энергетический барьер. Большая часть столкновений
между молекулами заканчивается химическим
взаимодействием и, следовательно, скорость реакции
увеличивается.
Этот способ имеет недостатки. Во-первых, на
нагревание расходуется дополнительная энергия,
следовательно, увеличиваются расходы на реакцию. Во-
вторых, этот способ вообще невозможен в тех
случаях, когда какое-то реагирующее вещество
неустойчиво при нагревании. Вместо взаимодействия с
другим веществом оно будет распадаться и давать
совсем нежелательные для нас продукты.
— Как же тогда быть? — спросила Мария.
— Тогда используют второй способ — кружной
путь через более низкие энергетические барьеры. Если
такие имеются, то молекулы, не обладающие
энергией, достаточной для преодоления высокого
энергетического барьера, могут воспользоваться этими более
низкими барьерами. А что это означает? Раз через
281
ИСХОДНЫЕ
ВЕЩЕСТВА
КАТАЛИЗАТОР ПОНИЖАЕТ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР,
ЕГО МОГУТ ПРЕОДОЛЕТЬ
И МОЛЕКУЛЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ
МАЛОЙ ЭНЕРГИЕЙ
энергетический барьер пройдет большее число
молекул, то и скорость реакции будет больше
Вот мы и дошли до роли катализаторов. Они,
подобно опытному экскурсоводу, ведут участников
похода по пути, проложенному через более низкие
вершины, и таким образом быстро приводят их в
конечный пункт.
Дядя Гоша нарисовал около высокой горы две
пониже и обозначил высоту одной Ега, а другой Е''а.
— Катализатор направляет реакцию по пути,
требующему более низких энергий активации, который
может быть доступен и для молекул с меньшим
запасом энергии. На этом основана и способность
катализатора увеличивать скорость реакции.
— Вот в чем дело, — сказал Любчо, который до
этого молча слушал. — В таком случае, если
катализатор поведет реакцию по пути с большей энергией
активации, то ее скорость станет меньше. Не так ли
действует отрицательный катализатор?
— Да, Любчо,-так. Я вижу, все вы поняли мои
объяснения.
— Мне еще не все ясно, дядя Гоша, — отозвался
Саша.
— Да? Вероятно, что-то я объяснил не так, как
следовало бы.
— Нет, — сказал Саша. — То, что вы
рассказывали, понятно — способность катализатора снижать
энергию активации реакции. Но все-таки, как он это
делает, не реагируя с веществами, участвующими в
реакции? Каким образом он влияет на них? Этого я
не могу представить себе.
— ДРУГИМИ СЛОВАМИ, ТЕБЯ ИНТЕРЕСУЕТ,
КАК ДЕЙСТВУЕТ КАТАЛИЗАТОР
Дядя Гоша засмеялся.
— Какая любознательная молодежь! Я думал,
моего объяснения будет достаточно, а вы хотите знать
еще. Не хватит ли на сегодня?
— Но вы же остановились на самом интересном,—
запротестовали все.
— Хорошо! Если хотите... Нужно вам сказать,
что химики задавали себе такой же вопрос с самого
283
3
3
«СИСТЕ
ЖЕРГИ!
Е< J
Е2
J /?
Р\
\
ХОД РЕАКЦИИ
В ПРИСУТСТВИИ
КАТАЛИЗАТОРА
^
а
/
"*/
\
/
N
Г*<
Ш 1
АЦИИ
ИЯ АКТИВ
ЭНЕРГ
//
\& "Е
1/ N
Ч
ТЕПЛОВ<
ЭФФЕКТ
/
ход
ч\
а \1
' \
ОЙ
Q
РЕАКЦк
Ж
к
f
открытия каталитических процессов. Но этих
процессов так много, они настолько разнообразны, что и в
наши дни полного ответа на этот вопрос нет! Итак, я
объясню вам механизм действия катализатора при
гомогенном катализе.
Окисление двуокиси серы в трехокись серы —
очень медленный процесс. Если к смеси двуокиси серы
и кислорода добавить разнообразные окислы азота,
они катализируют процесс и он пойдет намного
быстрее. Это используется в промышленном производстве
для получения трехокиси серы, из которой получают
серную кислоту.
Французские химики Клеман и Дезорм объяснили
действие окиси азота как катализатора еще в 1806 г.
Они предположили, что катализатор легко вступает
в реакцию с одним из реагирующих веществ —с
кислородом. Окись азота образует с кислородом двуокись
азота. Это соединение легко реагирует с двуокисью
серы, отдавая ей один атом кислорода. При этом
образуется трехокись серы и освобождается окись азота,
являющаяся катализатором. Двуокись азота здесь —
промежуточное соединение, которое только помогает
окислению двуокиси серы в трехокись.
Освободившийся катализатор снова реагирует с кислородом
и снова образует промежуточное соединение—
двуокись азота. Двуокись азота окисляет двуокись серы
в трехокись, и опять освобождается окись азота. Этот
процесс продолжается, пока вся двуокись серы не
превратится в трехокись серы.
Таким же образом, через образование
промежуточного соединения, происходят и другие гомогенные
каталитические реакции, отчего эта теория и
называется теорией промежуточных соединений. Надеюсь,
что сущность этой теории вам ясна из приведенного
примера.
Катализатор легко реагирует с одним из
находящихся в смеси веществом, образуя нейтральное
соединение. Между нейтральным соединением и вторым
веществом смеси проходит химическая реакция, в
результате которой получается конечный продукт, а
катализатор восстанавливается. Как первая, так и
вторая реакция имеют скорость большую, чем та, с
котооой реагируют между собой оба исходных
285
КАТАЛИЗАТОР ОКИСЬ АЗОТА УСКОРЯЕТ ОКИСЛЕНИЕ
ДВУОКИСИ СЕРЫ В ТРЕХОКИСЬ СЕРЫ
[ДВУОКИСЬ
1азота
■ДВУОКИСЬ
1СЕРЫ
вещества. Эта теория промежуточных соединений
объясняет влияние катализатора на скорость
химической реакции. Как видите, она объясняет и тот факт,
что количество катализатора в ходе реакции не
изменяется, остается постоянным.
— Эта теория совсем не сложная, — сказал Веско.
— Не сложная? Я рассказал вам о ней довольно
упрощенно, но не во всех случаях все так просто и
ясно. Во многих реакциях существование
промежуточного соединения не доказано. Предполагается, что
такие соединения действительно образуются, но они
очень неустойчивы. Они так быстро реагируют, что их
нельзя выделить и изучить.
Но особенно сложное явление — гетерогенный
катализ. Для объяснения его механизма все еще нет
общепризнанной теории. В этой области существует
множество теорий и ученые спорят по поводу того,
какая из них самая правильная.
— Спорят? — удивилась Надя. — Интересно, о чем
они спорят. По-моему, все так хорошо объясняется
промежуточными соединениями.
— В начале XX века теория промежуточных
соединений в катализе была почти общепринятой. В
некоторых случаях даже доказывалось, что и на
поверхности твердых катализаторов при гетерогенном
катализе образуются промежуточные соединения.
Например, установили, что при окислении водорода до
воды в присутствии металлического катализатора
получается окись на поверхности катализатора.
Предполагают, что водород отнимает кислород у окиси,
образуя воду, а поверхность катализатора в
результате этого освобождается от окиси.
При синтезе аммиака из азота и водорода на
железном катализаторе предполагается, что на
поверхности железа образуется нитрид железа. Водород
соединяется с азотом нитрида железа, образуя
аммиак, а поверхность катализатора освобождается.
— Разве это не просто? — снова удивилась Надя.
— Просто-то просто, но верно ли? Новые
исследования заставляют ученых сомневаться в этом. Если
скорость, с которой нитрид железа реагирует с
водородом, сравнить, например, со скоростью
реакции получения аммиака на поверхности железного
287
катализатора, то окажется, что первая реакция
протекает очень медленно по сравнению со второй. Ясно,
что такая замедленная реакция не может быть
промежуточным этапом более быстрой реакции.
То же самое получается и при каталитическом
окислении водорода на многих металлах. Очевидно,
что теория промежуточного соединения не может
объяснить эти случаи гетерогенного катализа.
— Как же их тогда объяснить? — спросила Надя.
УЧЕНЫЕ НАШЛИ ДРУГОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ
Сделали они это с помощью адсорбции...
— Я знаю, что такое адсорбция, — воскликнул
Любчо. — Ты мне уже объяснял.
— Ну, расскажи, посмотрим, что ты запомнил.
— На поверхности твердых тел имеются
остаточные валентные силы, — начал Любчо. — Поэтому,
когда на эту поверхность попадают молекулы из
близлежащего пространства, эти силы их
задерживают. Вот это и называется адсорбцией Она может
быть физической, а может быть и химической, в
зависимости от того, какие силы — физические или
химические — задерживают адсорбирующие
молекулы. Когда...
— Хватит, хватит, Любчо, — прервал его отец.—
Браво, ты очень хорошо запомнил все. Но вернемся
к вопросу. При хемосорбции, т. е. при химической
адсорбции, адсорбирующиеся молекулы связываются
с поверхностью обычными химическими валентными
силами. В результате этого прочность других
химических связей в молекулах значительно уменьшается.
По этой причине молекулы становятся более
податливыми к химическому взаимодействию, делаются
более реакционноспособными. Это предположение
вполне правдоподобно: ясно, что для разрушения
связей в адсорбированных молекулах потребуется
меньшее количество энергии, так как прочность этих
связей предварительно уменьшилась вследствие
адсорбции.
Предположение, что адсорбция — необходимый
предварительный этап каждого гетерогенного катали-
288
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ КАТАЛИЗАТОР УСКОРЯЕТ РЕАКЦИЮ,
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЗАМЕДЛЯЕТ ЕЕ
ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ- ■ КАТАЛИЗАТОР
<=
ОТРИЦАТЕЛЬНЫ*
КАТАЛИЗАТОР
J0 Зак. 5Ю
тического процесса, принято сейчас всеми учеными
без возражений. Но это недостаточно полно
объясняет каталитические явления. Вот, например,
поверхность всякого твердого тела адсорбирует,
следовательно, должна быть катализатором. Но не всякое
твердое гело является катализатором для любого
химического процесса. Тогда в каких случаях
адсорбция облегчает взаимодействие между
реагирующими веществами? Когда она приводит к катализу?
На этот вопрос различные теории отвечают
по-разному.
По мнению русского химика А. А. Баландина,
адсорбция приводит к катализу, когда между
геометрическим расположением частиц, составляющих
катализатор, и расположением атомов в
адсорбированных молекулах есть известное сходство, известное
геометрическое соответствие. Кроме этого, чисто
геометрического, соответствия, необходимо сходство и в
расстояниях между частицами, которые составляют
катализатор, и между атомами адсорбированных
молекул Я приведу вам один пример, который раскроет
яснее сущность этой теории.
Дядя Гоша взял мел и начертил на доске
равносторонний треугольник. Его вершины он отметил
большими точками.
— Таким образом расположены атомы в
кристаллической решетке платины, — сказал он. —
Предполагается, что если одна молекула соединения циклогек-
сана располагается вот так на поверхности платины,—
и дядя Гоша нарисовал жирной линией расположение
молекулы, — то шесть ее водородных атомов
находятся под влиянием сил притяжения платиновых
атомов. Под влиянием этих атомов связи между атомами
водорода и углерода в молекуле циклогексана
разрушаются и отделяются три молекулы водорода.
Освободившиеся же валентные связи углеродных атомов
взаимно насыщаются, образуя три двойные связи.
Вот так из циклогексана получается бензол.
Как видите, по этой теории каталитическое
действие осуществляется небольшим числом атомов на
поверхности катализатора, расположенных
подходящим образом.
10*
291
НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ-ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ СООТВЕТ*
СТВИЕ МЕЖДУ СТРОЕНИЕМ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ
КАТАЛИЗАТОРА И АДСОРБИРОВАННОЙ МОЛЕКУЛЫ
Александр Александрович
Баландин (1898—1967)
—советский химик. Родился в Сибири
в г. Енисейске. Окончил
гимназию и университет в Москве.
Начал работать в лаборатории
Н. Д. Зелинского.
Большинство исследований А. А.
Баландина относится к области
химической кинетики и катализа.
Он считается одним из
пионеров органического катализа,
создателем мультиплетной
теории катализа.
— Я согласен с этой теорией, — сказал Саша.—
Она все объясняет так просто. По-моему, она самая
верная.
— Как ты можешь так говорить, не зная ничего
о других теориях? — отозвался Цанко.
— Эта теория понятна и, если бы не имела
недостатков, была бы общепринятой. Факт существования
других теорий говорит о том, что она, хоть и дает
правдоподобное объяснение многим случаям, но не
объясняет всего.
Существует другая теория, созданная тоже
советским ученым Н. И. Кобозевым. Она в некотором роде
противоположна мультиплетной теории Баландина.
Согласно теории Кобозева, активные центры не
связаны с определенными участками кристаллической
решетки с правильно расположенными атомами.
— А что такое активные центры? — спросил
Веско.
— Как? Я вам не сказал? — удивился его отец.
— Нет, не говорил.
— Нет, нет, — подтвердили и другие.
— Это серьезный пропуск. Активные центры очень
важны. Как я забыл сказать о них? Дело вот в чем.
Установлено, что некоторые соединения могут
отравлять катализатор, другими словами, уменьшать или
даже уничтожать его активность, если покроют даже
293
ничтожную часть его поверхности. Так, например,
при синтезе аммиака достаточно на каждые 200
атомов железа на поверхности железного катализатора
иметь по одной молекуле воды, и катализатор почти
полностью потеряет свою активность. О чем это
говорит? Чтобы катализатор потерял свою активность,
нет необходимости всю его поверхность закрывать
другими атомами.
Отравление катализатора, как и некоторые другие
явления, заставляют ученых предполагать, что в
большинстве случаев поверхность катализаторов не
однородна. Различные его участки имеют разную
активность по отношению к процессу, который
катализируется. Те места поверхности, которые оказывают
самое сильное влияние на реакцию, называются
активными центрами. Отравление катализатора
ничтожно малым количеством вещества доказывает, что
активных центров на его поверхности немного.
Некоторые ученые считают, что роль активных центров
играют вершины, ребра и углы кристаллов. Другие
предполагают, что активные центры углублены, третьи
связывают их с нарушением кристаллической
решетки — включением в нее чужеродных атомов,
выпадением отдельных атомов из решетки и т. п.
А. А. Баландин считал, что роль таких активных
центров играют участки кристаллической решетки
с правильно расположенными атомами. Н. И. Кобозев,
наоборот, утверждает, что кристаллическая решетка
совсем не влияет на каталитический процесс.
Согласно его теории, на поверхности кристалла всегда
находятся группы из двух, трех, четырех или вообще
небольшого числа атомов, которые располагаются
не по правилам данной кристаллической решетки.
Именно эти группы атомов, которые Н. И. Кобозев
назвал атомными ансамблями, по его мнению играют
роль активных центров. Они отвечают за
каталитическое действие кристаллического тела, а не
кристаллической решетки. Свою теорию ансамблей Кобозев
подкрепил опытами вроде следующего.
На вещество с очень большой адсорбционной
поверхностью, например на уголь, он наносил очень
небольшое количество платины. Так как в этом слу-
294
чае атомов платины мало и они не могут создать
кристаллическую решетку, они располагаются на
адсорбционной поверхности угля небольшими группами —
ансамблями.
Дядя Гоша нарисовал на доске группу атомов,
расположенных на поверхности адсорбентов.
— Оказалось, что эти атомные ансамбли
обладают большой каталитической активностью. Но
большинство ученых считает маловероятным, чтобы на
поверхности кристаллического тела имелись атомы,
не включенные в кристаллическую решетку.
— Раз и против этой теории возражают, значит,
есть другие теории, — сказала Мария.— Не могу
понять, как это может быть: ни группы правильно
расположенных атомов кристаллической решетки, ни
атомные ансамбли — группы из не включенных в
кристаллическую решетку атомов — не объясняют
каталитическое действие твердых тел. Какая же третья
возможность объяснить это действие может
существовать?
— Причину нужно, по-видимому, искать в
катализаторе как целом.
— Что значит «целом»? — не поняла Мария.
— Твердое тело — не просто скопление атомов,
атомы взаимодействуют между собой, влияют друг на
друга. Поэтому отдельные атомы нужно рассматривать
не отдельно от других, а в их взаимозависимости друг
от друга. В этом смысле катализатор нужно
рассматривать как нечто целое.
— Мне все еще не ясно, как же объяснить
механизм каталитического действия, если рассматривать
катализатор как одно целое?
— Тогда начнем издалека. Я уже вам говорил, что
химическая связь между атомами осуществляется их
валентными электронами. А недавно мы вспоминали,
что при хемосорбции между частицами, находящимися
на поверхности катализатора, и сорбированными
молекулами возникает химическая связь. Что из этого
следует?
Дядя Гоша помолчал немного, но желающих
ответить на его вопрос не нашлось.
— Из этого следует, что как при хемосорбционном
процессе, так и при каталитическом существенную
295
роль играют электрические свойства твердого тела.
И В ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ ПОЛУЧИЛИ
ПРИЗНАНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О КАТАЛИЗЕ
Какова их сущность? Факты доказывают, что
изоляторы (вещества, которые не проводят
электрический ток) катализируют очень хорошо главным
образом процессы, связанные с отделением или
присоединением воды к молекуле. Проводники электрического
тока (металлы)—отличные катализаторы для
процессов, связанных с присоединением или отделением
водорода, окислением, восстановлением и т. п.
Полупроводники (вещества, которые по
электропроводности занимают промежуточное положение между
изоляторами и проводниками) обладают свойствами,
близкими к проводникам. Ясно, что между
электрическими свойствами, с одной стороны, и
каталитическими, с другой, должна существовать какая-то связь.
Какие же изменения электрических свойств
происходят в катализаторе и адсорбированных молекулах в
ходе каталитических процессов?
Существует несколько способов «приземления»
молекулы на поверхности катализатора.
Первый способ: молекула отдает электрон
катализатору. Эта потеря электрона дает молекуле
положительный заряд, т е. превращает ее в положительно
заряженный ион. Несомненно, что свойства иона,
вступившего в химическое взаимодействие, будут
отличаться от свойств электронейтральной молекулы»
Обычно у иона это свойство выражено сильнее.
Второй способ, противоположный первому:
молекула отрывает электрон от катализатора. Тогда она
превращается в отрицательный ион и тоже становится
реакционноспособнее электронейтральной молекулы.
И третья возможность заключается в
осуществлении связи через общую электронную пару,
образованную из электронов катализатора и сорбируемой
молекулы. Это тоже будет вызывать изменение
остальных связей в молекуле, что может облегчить ее
взаимодействие с другими частицами.
296
Направление электронных переходов зависит,
конечно, от свойств обоих партнеров, но главным
образом от электрических свойств катализатора. Если,
например, это металл, который слабо удерживает свои
электроны, то адсорбирующаяся молекула легко
превратится в отрицательный ион.
Этот процесс перехода электронов касается не
только связей адсорбирующихся молекул, но изменяет
и поверхностные свойства катализатора.
Представьте себе, что одна хемосорбированная
молекула «оторвала» электрон от катализатора —
полупроводника и превратилась в отрицательный ион.
Таким образом, по соседству с адсорбированной
молекулой образовалась нехватка электрона. На то место,
откуда был взят электрон, может перескочить
электрон с какого-нибудь соседнего атома. Здесь создается
условие для адсорбирования молекулы, склонной
отдать электрон и превратиться в положительно
заряженный ион.
Объясняя, дядя Гоша рисовал все это на доске.
— Подобное положение создается и в том случае,
когда хемосорбирующаяся молекула превращается в
положительный ион, отдавая электрон
полупроводнику. Этот электрон может «проехать» некоторое
расстояние по поверхности и в каком-то месте
перескочить к молекуле, склонной принять электрон,
превратив ее в отрицательный ион.
Как видите, переход электронов с одного места
создает условия для совершения процесса в другом
месте, удаленном от первого. В этом смысле
катализатор можно рассматривать как одно целое, а не
как собранные в одном месте отдельные атомы и
среди них некоторые — участники процесса.
Среди многих ученых, которые развивают
электронные представления в катализе, нужно назвать имя
советского ученого Ф. Ф. Волькенштейна. Он
разработал довольно полно теорию каталитических
процессов на полупроводниках.
— А есть и другие теории? — спросил Веско.
— Есть. Скажу вам о них в двух словах
следующее.
Советский академик Н. Н. Семенов предложил
цепную теорию катализа. Согласно этой теории,
297
ЭЛЕКТРОНЕЙТРАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛА ОТДАЕТ ЭЛЕКТРОН
КАТАЛИЗАТОРУ-ПРОВОДНИКУ И ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ПОЛО-
ЖИТЕЛЬНЫЙ ИОН. ЭЛЕКТРОН ПУТЕШЕСТВУЕТ ПО
КАТАЛИЗАТОРУ, ПОКА НЕ ПЕРЕСКОЧИТ НА ДРУГУЮ МОЛЕКУЛУ,
КОТОРАЯ ЗАРЯДИТСЯ ОТРИЦАТЕЛЬНО. ПРЕВРАЩАЯСЬ
ТАКИМ ОБРАЗОМ В ИОНЫ, МОЛЕКУЛЫ ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ
ЛЕГЧЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ ДРУГ С ДРУГОМ
ЭЛЕКТРОНЕИТРАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛА ОТРЫВАЕТ ЭЛЕКТРОН
ОТ КАТАЛИЗАТОРА-ПОЛУПРОВОДНИКА И ПРЕВРАЩАЕТСЯ
В ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ИОН. НА МЕСТО ЭТОГО ЭЛЕКТРОНА
ПЕРЕСКОЧИТ ДРУГОЙ С СОСЕДНЕГО АТОМА. ВТОРАЯ
ЭЛЕКТРОНЕЙТРАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛА ОТДАЕТ ЭЛЕКТРОН
КАТАЛИЗАТОРУ. ТАК ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ПРЕВРАЩАЯСЬ В
ИОНЫ, ЛЕГЧЕ РЗАНМОДЕЙСТРУКЛ ДРУГ С, ДРУГОМ
Циколай Николаевич Семенов
(род. 1896)—советский физико-
химик. На основе изучения
пределов воспламенения при
окислении паров фосфора,
водорода, окиси углерода и др.
открыл новый тип химических
процессов — разветвление
цепных реакций. В монографии
«Цепные реакции» Н. Н.
Семенов впервые изложил теорику
цепных реакций и показал их
огромное значение для
современной химии. За свои
заслуги в науке Семенов был
удостоен Нобелевской премии.
вследствие перехода электронов на поверхности
катализатора возникают активные частицы. Реагирующие
вещества адсорбируются именно на них и в этом
состоянии продолжают взаимодействовать. После
реакции новообразованные молекулы десорбируются,
оставляя на поверхности катализатора активные
частицы, и они тем же способом вызывают
взаимодействие других молекул. Таким образом, реакция состоит
как бы из цепочки повторяющихся процессов, каждый
из которых завершается освобождением активных
частиц. Роль катализатора состоит в том, чтобы
создавать эти активные частицы на поверхности.
Другой советский ученый, Г. К. Боресков, считает,
что цепная реакция начинается на поверхности
катализатора, но активные частицы могут отрываться от
нее и продолжать реагировать в пространстве около
катализатора. Этот вид катализа он назвал гетеро-
генно-гомогенным.
— Ну, на сегодня, я думаю, хватит, — закончил
объяснения дядя Гоша. — Не зря говорят: лучше из
малого запомнить все, чем из многого — ничего.
— Это все о катализе? — спросила Надя.
— Все? Нет. Чтобы рассказать вам все,
потребовалось бы много дней. О катализе написано много
толстых книг и, как я вам говорил, не все еще о нем
известно.
300
На этом «День химического волшебства»
закончился. Ребята разошлись довольные, что увидели и
узнали много интересного. Но больше всех был
доволен Петя. Он был героем дня, а главное, отец
немножко поставил на место Любчо.
КАТАЛИЗАТОРЫ ПОВСЮДУ
Прошло около месяца. Петя с отцом сидели во
дворе под виноградником. Петя только что вернулся
со школьной экскурсии и теперь рассказывал о ней
отцу.
— Знаешь, папа, как еще много я узнал
интересных вещей о катализе? На нефтехимическом
комбинате под Бургасом один химик рассказывал
нам, что без катализаторов вряд ли работал бы их
завод.
— Да, это так, — согласился отец. — Я, по-моему,
говорил вам, что около 70% химических производств
используют катализаторы.
— Этот химик говорил, что теперь из того же
самого количества нефти получают гораздо больше
бензина, чем раньше. Раньше нефть нагревали, жидкость,
получающуюся при охлаждении паров, отделяли при
более низкой тетипературе и использовали как бензин.
Остальная, густая часть нефти перерабатывалась в
другие продукты. Теперь нефть нагревают в
присутствии катализатора. Происходит разрыв больших
молекул, из которых состоит густая жидкость, и
образуются более мелкие молекулы, именно такие, из
которых состоит бензин. Выходит, что благодаря
катализатору нефть используют теперь гораздо полнее.
— Да, этот процесс «измельчения» больших
молекул химики называют крекингом. Но нужно тебе
сказать, что это не единственный способ, когда
катализаторы помогают нам получать больше бензина. С их
помощью химики давно превращают в бензин даже уголь.
— Как? Бензин из угля? — удивился Петя. — Как
же это получается?
— Коротко говоря, уголь размалывают и
смешивают с катализатором. Катализатором могут быть
окись железа или сернистые соединения металлов —
301
КАТАЛИЗАТОР
Ж
С ПОМОЩЬЮ КАТАЛИЗАТОРА УГОЛЬ МОЖНО
ПРЕВРАТИТЬ В ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЙ БЕНЗИН
молибдена и вольфрама. Полученную смесь
обрабатывают при высокой температуре и давлении в
присутствии водорода. В этих условиях углерод (из угля)
и водород соединяются, образуя соединения, похожие
по составу на соединения, из которых состоит бензин.
Этот способ особенно важен для тех стран, у которых
нет своей нефти, но имеются запасы угля.
— Интересно, — сказал Петя. — Об этом нам не
говорили на комбинате. Но зато нам рассказывали,
как с помощью катализатора улучшают качество
бензина. Если соединения, которые входят в его состав,
имеют «прямые» молекулы, т. е. углеродные атомы в
них связаны прямой цепочкой, то бензин горит плохо,
с частыми взрывами. Но есть катализатор, который
может «разветвлять» молекулы. Чем больше таких
молекул будет содержать бензин, тем выше его
качество, и горит он без взрывов.
Чего только не могут катализаторы' «Измельчать»
молекулы, «разветвлять» их, даже могут «связывать»
концы молекулы и превращать ее в кольцо.
— И это еще не все возможности катализатора!
Есть и такие, которые связывают короткие молекулы
некоторых органических соединений в
длинные-длинные цепи. С их помощью получают и пластические
массы и синтетический каучук.
Производство синтетического каучука целиком
основано на катализаторах. Пары этилового спирта —
обыкновенного спирта — пропускают над таким
катализатором, который помогает быстро выделить из них
молекулы воды и водорода. Полученное в результате
этой реакции соединение — бутадиен — имеет
короткие молекулы. Опять-таки с помощью катализатора
молекулы бутадиена связываются, «сшиваются» одна
с другой в длинные цепи. Так получается один из
видов синтетического каучука.
На заводе азотистых удобрений около Старого За-
гора, где вы уже побывали, тоже используются
многие каталитические процессы. Прежде всего, там
обжигают уголь, пропуская через него воздух и водяные
пары. При высокой температуре углерод отнимает
кислород от воды. Получается окись углерода и
водород. Газовую смесь пропускают через аппараты,
303
КАТАЛИЗАТОРЫ МОГУТ ((ПРОШИВАТЬ» МОЛЕКУЛЫ,
«РАЗВЕТВЛЯТЬ» ИХ, «СВЯЗЫВАТЬ» КОНЦЫ ПРЯМЫХ МОЛЕКУЛ,
ПРЕВРАЩАЯ ИХ В КОЛЬЦО, «СШИВАТЬ» ИХ В ДЛИННЫЕ
ЦЕПИ...
Заквашенное тесто подымает- литический процесс, и катали-
ся, растет... А ведь это ката- затор здесь — дрожжи.
заполненные катализатором. Окись углерода
превращается в двуокись, После удаления полученной
двуокиси углерода и других побочных продуктов
остается смесь из азота (из воздуха) и водорода (из воды).
Эти газы почти не реагируют друг с другом при ком-
латной температуре. Потребовались бы сотни лет,
чтобы из этой смеси получился аммиак. Поэтому на
заводе используют катализатор—железо.
Если-пропускать через катализатор нагретую смесь под
высоким давлением, то азот и водород соединяются,
образуя аммиак.
А в цехах азотной кислоты есть другой интересный
катализатор. Если аммиак поджечь, на воздухе, он
будет гореть и при этом образуется вода и азот.
В цехе азотной кислоты аммиак сжигают над
катализатором— сплавом платины с 10% родия. При
сжигании образуется двуокись азота и вода. Двуокись
азота растворяется в воде и получается азотная кислота.
Другую очень важную кислоту—серную — тоже
получают каталитическим способом, — продолжал
перечислять дядя Гоша. Один из них ты уже знаешь.
Необходимую для этого трехокись серы получают
окислением двуокиси серы в присутствии
катализатора— окиси азота. В Болгарии и в большинстве
стран окисление производится на твердом
катализаторе на основе ванадия.
— И Врачанский химический комбинат буде?
работать с катализаторами, — дополнил Петя. —
Выходит, куда не пойдешь, всюду встретишь катализаторы,
305
— И если дома будешь сидеть, тоже с
катализаторами встретишься, — засмеялся отец.
Петя удивленно посмотрел на него.
— За чем мама посылала тебя недавно в
магазин?
— За лимонами. Она хочет положить их в варенье,
которое варит.
— Видишь? Твоя мама, не зная этого, использует
каталитический процесс. Вещества, содержащиеся в
соке лимонов, играют роль катализатора, который
усиливает превращение обыкновенного сахара в
виноградный, в глюкозу. В результате этого варенье не
засахаривается.
А когда месят тесто, что нужно сделать, прежде
чем из него печь хлеб или пироги?
— Нужно поставить его на некоторое время
закисать, бродить.
— Вот и брожение теста—тоже каталитический
процесс, при котором большие молекулы крахмала
распадаются на более мелкие молекулы глюкозы.
А что происходит с виноградным соком в погребе?
— Он бродит.
— И это — каталитический процесс. Глюкоза
превращается в спирт и двуокись углерода.
Приготовление маринадов, превращение вина в уксус — это тоже
каталитические процессы.
— Хорошо. Но какие катализаторы применяются
в этом случае?
— Это ферменты.
БЕЗ ФЕРМЕНТОВ НЕВОЗМОЖНА ЖИЗНЬ
— Почему? — удивился Петя, который в этот
момент думал о маринованных огурчиках в
стеклянной банке.
— Потому что все основные жизненные процессы,
которые протекают в клетках нашего тела,
совершаются с помощью этих катализаторов —
ферментов.
— Значит, без катализаторов нет жизни?
— Именно так. Поэтому-то ферменты называют
биокатализаторами.
306
— Расскажи мне что-нибудь об этих ферментах.
Удивительное дело — катализаторы в клетках нашего
тела.
— Не только в клетках. Например, когда ты ешь,
в твоей слюне находится фермент птиалин. Он состоит
из двух веществ — амилазы и диастазы. Кроме того,
в слюне находится и другой фермент — мальтаза. Под
действием этих ферментов крахмал, находящийся в
пище, постепенно превращается в глюкозу.
Желудочный сок тоже содержит несколько ферментов. Пепсин,
например, разлагает сложные молекулы белков на
более простые. Липаза превращает жиры в глицерин
и жирные кислоты. В двенадцатиперстной и в гонких
кишках пища продолжает разлагаться под действием
таких ферментов, как пепсин, трипсин, эрипсин и
других на более простые вещества. В конце-концов под
действием этих ферментов получаются растворимые
в воде вещества, которые легко могут проникать в
кровь и вместе с ней разноситься по всем клеткам
нашего тела.
Клетки — это же целая химическая лаборатория!
И здесь главный химик — фермент. Например, когда
человек выполняет тяжелую работу, он затрачивает
много энергии. Откуда он ее берет? Ее дают человеку
ферменты, которые помогают сжигать попадаемую
в клетки пищу.
Кристаллы пепсина под
микроскопом. Ясно видны
правильная форма и ее
повторение в отдельных кристаллах.
307
Ты знаешь, что продукты питания — масло, мясо,
сахар и т. д. — горят. Но чтобы это произошло, их
нужно нагреть до температуры горения. В клетках
все это сгорает при температуре нашего тела
благодаря присутствию ферментов. Это сгорание
происходит по этапам до полного сгорания, так что энергия
освобождается постепенно.
Химики до сих пор могут только мечтать о таких
совершенных катализаторах, как ферменты. Ферменты
ускоряют химические реакции в нашем теле во много
раз больше, чем катализаторы, используемые в
промышленности. При этом каждый фермент
катализирует одну-единственную реакцию, т. е. избирательное
действие ферментов еще больше, чем у неорганических
катализаторов. Поэтому их обыкновенно сравнивают
с секретным ключом, способным открывать
специальные замки, для которых он изготовлен.
— А из каких веществ состоят эти
катализаторы? — поинтересовался Петя.
— Многие ферменты уже получены в чистом виде
и изучены. Установлено, что они представляют собой
сложные белковые вещества. При этом активна не
вся белковая молекула, а только одна ее часть,
называемая коензим. Если отделить коензим, то белковая
молекула потеряет свою каталитическую способность.
Но это не значит, что белковая молекула является
только носителем, безразличным к катализу. Она
влияет на него. Если один коензим связан с одним
видом белковых молекул, катализируя один какой-
нибудь процесс, то этот же самый коензим, связанный
с другим видом белковых молекул, будет
катализировать другой какой-то процесс. Интересно, что роль
коензима в некоторых случаях может играть какой-
нибудь витамин.
— Теперь мне понятно, почему мы болеем, если
едим пищу, бедную витаминами. Без ферментов нет
жизни — это ясно!
Есть и другие доказательства, что это так. Ты
знаешь, что без растений не могут жить ни животные,
ни люди. Растения превращают «мертвые»,
неорганические соединения в вещества, пригодные для
усвоения живым организмом. Прежде всего, нужно
напомнить о фотосинтезе хлорофилла. Так называется пре-
308
вращение «неживой» двуокиси углерода и воды
в глюкозу, которое происходит в листьях растений
на свету.
— Неужели сахар — из газа и воды? — удивился
Петя.
— Тайна этого сложного химического
превращения все еще не полностью раскрыта. Но точно
известно, что это каталитический процесс и
катализатором является хлорофилл — то сложное органическое
вещество, которое придает листьям зеленый цвет.
Полученная благодаря фотосинтезу глюкоза
перерабатывается растением в другие необходимые соединения
тоже при участии различных ферментов. Вычислено,
что за год растения Земли перерабатывают путем
фотосинтеза 175 миллиардов тонн углерода —
невообразимо много!
Растениям необходим и азот. Все белковые
вещества— а без них невозможна жизнь — содержат азот.
В почве живет огромное количество бактерий,
которые связывают содержащийся в атмосфере свободный
азот, превращая его в аммиак. А аммиак легко
усваивается растениями. Азотные бактерии не могли бы
проделывать эту нужную работу без ферментов. С
помощью этих тонко действующих, очень активных
биокатализаторов те реакции, которые в заводских
условиях требуют стоградусных температур и давления
в сотни атмосфер, осуществляются при обыкновенных
условиях.
— Вот хорошо бы и в промышленности были
такие катализаторы, как ферменты! — воскликнул
Петя. — Мы бы построили завод, на котором с одной
стороны поступали бы «мертвый» газ — двуокись
углерода— и вода, а с другой стороны выходили
вагоны с сахаром. Заводам азотистых удобрений не
нужна была бы сложная аппаратура, которая должна
выдерживать огромную температуру и давление, а все
лроцессы совершались бы при обыкновенных
условиях. Настоящая сказка!
— Несомненно, все это когда-нибудь будет, Петя.
Волшебник катализатор скрывает еще много гайн, но
ученые упорно трудятся над их раскрытием. Когда
это осуществится, многое изменится. Заводские трубы
перестанут дымить и отравлять атмосферу вредными
310
газами, потому что катализаторы помогут
переработать эти газы в безвредные вещества. Катализатор,
помещенный в выхлопную трубу автомобиля,
обезвредит отработанные газы. Трудно даже представить
себе, как много искусственных материалов,
превосходящих по качеству натуральные, будут созданы с
помощью катализаторов.
Еще многое предстоит сделать, чтобы все это стало
действительностью. И если ты хочешь приблизить это
время, надо хорошо учиться, потому что тайны
катализа, как и все тайны природы, раскрываются только
перед тем, кто упорно трудится...
Может ли идти тот или иной процесс, и если может, то как его
использовать? На этот вопрос химия наших дней даег точный
ответ. Управлять веществом — это значит создавать такие условия,
при которых оно будет изменяться в нужную сторону и с
необходимой скоростью.
Атомная энергия может вызвать гибель целых городов.
Обузданная человеком, она может обогревать жилиша, двигать поезда
и пароходы, давать электрический ток.
Вода в плотно закупоренном сосуде, находясь в комнатных
условиях, может пережить многие поколения, но нагретая до
высокой температуры или в присутствии какого-нибудь катализатора,
она может разделиться на свои составные части — водород и
кислород. Человек теперь знает, что может оказать влияние на
вещество и заставить его реагировать быстрее или медленнее;
важнейшие факторы — это температура, давление и катализаторы.
На снимке — ракета, взлетающая в космос в результате реакции
горения специального топлива.
ТАЙНЫ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
НЕЗАДАЧЛИВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАТОРЫ
— Не хочешь ли ты загипнотизировать эту
кастрюлю? Что ты так смотришь на нее?
Петя, задумавшись, следил за струйкой пара, со
свистом вырывавшейся из-под крышки
кастрюли-скороварки.
— Смотри, Веско. Великий волшебник решил
заколдовать кастрюлю-скороварку, — продолжал
поддразнивать Петю его брат Любчо.
— Что ее заколдовывать, когда она и так почти
волшебная, — возразил Петя.
— Почему волшебная? Кастрюля как кастрюля.
— Так ли? Ты вчера сколько времени варил
картошку в маленькой кастрюльке?
— Около получаса.
— А мама за какое время сварила ее в
скороварке?
— За семь-восемь минут.
— Видишь! В три-четыре раза быстрее. В
обыкновенной кастрюле фасоль варят два часа, а в этой она
готова через 40 минут — опять почти в три раза
быстрее. Это разве не волшебство?
— Человек, который не может объяснить себе
простейшие вещи, называет их волшебством, — надменно
сказал Любчо.
— Если это так просто, расскажи мне, почему это
происходит.
— Ничего особенного. Если пища варится под
давлением, она будет готова быстрее.
— Это и я могу тебе сказать. Я спрашиваю, не
что происходит, а почему так происходит, —
настаивал Петя.
— Почему вода течет не вверх, а вниз? Просто
так происходит.
— Совсем не «просто так», а потому что ее Земля
притягивает. А ты не будь таким важным, раз не все
313
понимаешь. Наверняка, есть какое-то простое объяс->
нение, но ты его не знаешь.
— Если ты такой философ, то доходи до всего
своей головой. А я тебе говорю, что здесь нечего
объяснять.
Веско еще в начале спора перестал читать и с
интересом прислушивался к разговору братьев. Потом
положил книгу и подошел к ним.
— Петя прав, Любчо. Иное явление, каким бы
обыкновенным оно ни казалось, не всегда легко
объяснить.
— Хорошо. Объясни его, если можешь, —
продолжал упрямиться Любчо.
— Когда пища варится или жарится, в ней
происходят физические и химические изменения.
Благодаря высокому давлению, которое поддерживается в
кастрюле-скороварке, вода в ней кипит при более
высокой температуре, чем в обыкновенной кастрюле.
Чем выше температура, тем быстрее совершаются
процессы. В этом причина того, что пища в кастрюле-
скороварке варится быстрее.
— Может быть, так, а может быть, и не так, — не
сдавался Любчо. — Папа нам говорил, что скорость
реакции могут изменять катализаторы, но он не
говорил, что скорость зависит от температуры.
— Папа говорил и это, но ты забыл.
— И я не помню, — признался Петя. — От чего
зависит скорость реакции, Веско?
— От нескольких причин, но самое большое
влияние на нее оказывают температура, давление,
концентрация реагирующих веществ и катализаторы.
— Ты можешь доказать то, о чем говоришь? —-
упорствовал Любчо.
— Вот тебе доказательство, — указал Петя на
кастрюлю-скороварку.
— Там такая неразбериха из химических
соединений и реакций, что трудно понять, что там происходит
и почему. Я хочу, чтобы мне доказали наглядно, на
химическом опыте, что повышение температуры ускоряет
химическую реакцию, — настаивал Любчо.
— Я вам сказал, а вы, если хотите, проверьте,
У меня нет времени на ваши глупости — нужно
заниматься.
314
И Веско снова сел учить уроки.
— Сердишься на меня, а сам силен только на
словах. А как дошло дело до доказательств, так
оказывается, что это «глупости» и что «нужно
заниматься»,— упрекнул брата Любчо.
— Раз ты не можешь доказать, попросим папу,—
сказал Петя примирительно.
— Кто вам сказал, что я не могу? — рассердился
Веско. — Петя, принеси ту пустую баночку из-под
гуталина, в которой ты хранишь разную мелочь.
А ты, — обернулся он к Любчо, — набери из корзины
древесной стружки почище, и все станет тебе
понятным.
Потом он наполнил стружкой коробочку, пробил
в ее крышке гвоздиком отверстие и поставил на
включенную электрическую плитку.
— Химический опыт со стружками! Папа дал нам
так много реактивов для нашей лаборатории, а ты со
стружками, — подсмеивался неугомонный Любчо.
— Потерпи и увидишь, получится опыт со
стружкой или нет.
Когда плитка сильно накалилась, Веско зажег
спичку, поднес ее к отверстию в крышке и... над ней
затрепетало синее пламя.
— Чудесно! — воскликнул в восторге Петя. —
Какую химическую реакцию мы ускорили нагреванием,
Веско?
— Внутри банки мы ускорили одну реакцию, а
над крышкой—другую.
— Ты, в сущности, доказываешь не то, что нужно
было доказать. Ведь ты хотел показать такую
химическую реакцию, которая при высокой температуре
протекает быстрее, чем при низкой. А показал нам
реакцию, которая вообще не происходит при низкой
температуре.
— Ты так думаешь? — спросил его Веско. Потом
открыл крышку коробочки и продолжал:
— Что, по-вашему, это такое?
— Известно, что — дерево, если его нагреть,
обугливается, — отвечал Любчо и взял несколько
обуглившихся стружек из коробочки.
— А это, по-вашему, что? — повторил свой вопрос
Веско, подав братьям блестящий кусочек угля.
315
— Сам видишь, уголь, — ответил Петя.
— А как образуется уголь? — продолжал Веско.
— Зачем ты спрашиваешь, когда сам знаешь? —
сказал Петя. — Когда-то они были деревьями, а
потом их засыпало землей и они пролежали там
миллионы лет и обуглились.
— А мы за сколько времени обуглили древесные
стружки? Всего за полчаса! Вот как ускорился
процесс обугливания при высокой температуре.
— Да, но между способом образования угля и
получением этого уголька есть большая разница,—
сказал Любчо.
— Конечно, некоторая разница есть, но в
принципе можно сказать, что это один и тот же процесс,
совершающийся с различной скоростью. Всякое
органическое вещество может обуглиться, если его
нагревать без доступа воздуха, и скорость обугливания
растет с повышением температуры.
— Даже не верится, — заметил Петя. — Не могу
представить себе, что белый сахар или масло могут
превратиться в черный уголь!
— Хорошо. Предположим, что нагревание
действительно ускорило процесс обугливания дерева,—
процесс, который в природе совершается в
миллиарды раз медленнее. А насчет горения газа, который
выделился через отверстие в крышке, ты не прав, —
не сдавался Любчо.
— В чем именно не прав?
— Если органические вещества могут гореть, хотя
и очень медленно при комнатной температуре, тогда
ты можешь утверждать, что их горение при высокой
температуре представляет ускоренную реакцию. Но
мы знаем, что органические вещества не горят при
комнатной температуре.
— Горят, — возразил Веско, — но скорость этого
горения в большинстве случаев ничтожно мала.
Поэтому и говорят, что практически они не горят. Но
всякое органическое вещество превратилось бы в
воду и углекислый газ даже при комнатной
температуре, если бы мы ждали достаточно долго.
— Не выдумывай! Неужели ты хочешь сказать,
что сахар или мука могут сгорать при комнатной
температуре? Уж в этом ты меня не убедишь!
316
— Удивляюсь, зачем вам папа объясняет все, о
чем вы его спрашиваете. От его объяснений явно нет
никакой пользы, — сказал с досадой Веско.
— Почему нет? Именно этого он нам не
объяснял.
— Объяснял, но вы не умеете слушать.
— Не мы, а ты не помнишь! — прервал его
Петя. — Папа объяснял, почему катализатор ускоряет
реакцию. И если хочешь знать, это не верно, что от
его объяснений нет пользы. Я все понял, что он
объяснял о катализаторах! — Петя гордо посмотрел на
своих братьев.
— Понял ли? Сейчас мы увидим, что ты понял.
Скажи-ка мне, может ли катализатор вызвать такую
химическую реакцию, которая вообще не совершается
без него.
— Конечно, не может. Катализатор только
увеличивает или уменьшает скорость реакции, — с жаром
начал объяснять Петя. — Он ускоряет только такие
реакции, которые совершаются и без него, но только
с очень маленькой скоростью.
— Это так, — добавил Любчо. — Если реакция
вообще не может протекать, то нет такого
катализатора, который бы вызвал ее.
— Запомнили кое-что, но посмотрим, поняли ли
зы это. Скажите мне, что происходит с пищей,
которую мы съели?
— Она медленно сгорает в клетках нашего тела.
Это горение поддерживает температуру нашего
тела,— объяснил Любчо.
— При какой температуре происходит это
сгорание?
— При температуре человеческого тела. Но если
бы не биокатализаторы — ферменты, то этого горения
вообще не могло бы быть, — продолжал Петя.
— Вот видишь? Десять секунд назад ты говорил,
что катализаторы могут ускорять только те реакции,
которые могут протекать и без них, но с ничтожно
малой скоростью. А теперь говоришь, что если бы не
биокатализаторы, то сгорания пищи при температуре
нашего тела вообще бы не было. Что ты скажешь на
это?
Петя задумался. Любчо его опередил.
317
— С одной стороны, получается, — начал он
рассуждать вслух, — что катализаторы могут только
ускорять процессы, которые совершаются и без них,
но очень медленно. А с другой стороны, в
присутствии ферментов пища сгорает при температуре
человеческого тела. Значит, пища действительно может
гореть без катализатора при комнатной температуре,
но очень медленно, с необыкновенно малой
скоростью.
— Так! На этот раз ты рассуждаешь правильно.
Надеюсь, вы оба понимаете, насколько различными
могут быть скорости химической реакции. Реакции, на
протекание которых в обычных условиях необходимы
миллионы лет, считаются практически
невозможными...
— Добрый вечер!
В дверях стоял их отец.
— Добрый вечер, папа! — ответили мальчики.
— А мы делали опыты, — поспешил похвастать
Петя.
— Я так и понял. Уже по дороге к дому начало
пахнуть опытами, Откройте-ка окно, а то здесь очень
пахнет горелым.
При этих словах отца Веско вскочил со стула и:
бросился к плите.
— Тянучки! — закричал он и схватил сковородку
с плиты. Но было поздно. Большая часть тянучек
превратилась в угли.
— Мы увлеклись опытами и не заметили, как
выкипела вся вода со сковороды, — начал
оправдываться Петя.
— Браво! Браво! — сказал иронически отец. —
Чудесный эксперимент! Вы доказали, что органические
соединения при высокой температуре быстро
обугливаются.
— Именно это нам и объяснял Веско, — сказал
Петя. — Он...
— Он великий экспериментатор, — прервал его
отец. — Заслуживает того, чтобы в награду ему
позволили съесть результаты его эксперимента.
— Это несправедливо, — вмешался Любчо. — Мы
ему помогали и должны разделить с ним наградуЕ
Все засмеялись.
318
ПИЩА СГОРАЕТ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ПРИ НИЗКОЙ
ТЕМПЕРАТУРЕ БЛАГОДАРЯ ПРИСУТСТВИЮ ФЕРМЕНТОВ
— С этими вашими опытами вы когда-нибудь
подожжете дом. Что за горячий спор шел тут у вас,
если вы забыли про тянучки?
— Мы спорили о скоростях, с которыми
протекают химические реакции, когда нет
волшебника-катализатора,— сказал Веско.
И братья рассказали отцу, как все произошло.
— Вопрос о зависимости между скоростью
химических реакций и условиями ее протекания — очень
важный и интересный, и химики уже давно его
изучают. Но скажу вам прямо, мне кажется, что для вас
это пока чересчур сложно.
— Ты почти всегда сначала сомневаешься, а
потом убеждаешься, что мы понимаем твои
объяснения,— возразил Петя.
— Петя говорит правду, папа, — поддержал Люб-
чо младшего брата. — Особенно, если ты покажешь
нам опыт, более подходящий, чем опыт Веско, мы
сразу все поймем.
— Ну уж, извините, — запротестовал Веско.—
Опыт был очень подходящим, а вы, не понимая самых
простых вещей, не имеете права обвинять меня.
Отец с улыбкой похлопал его по плечу.
— Не горячись, что начал с ошибки. Опыт твой
подходящий, но он не помешает и мне показать вам
один опыт. Некоторые вещи кажутся простыми, а
когда подумаешь немножко, то выходит, что это не
совсем так.
-— Я знаю, что если температура повышается, то
скорость реакции возрастает. Таким же образом
влияет и повышение давления. Присутствие
катализатора тоже может очень сильно изменить скорость
реакции — повысить ее, или понизить. Что здесь
сложного? Что еще нужно знать?
— Ты чересчур самонадеян, Веско... Оставим
сейчас вопрос о том, что влияет на скорость химической
реакции. Скажи мне сначала, что ты понимаешь под
словами «скорость химической реакции» и как она
измеряется.
— Под скоростью химической реакции понимают...
Тут Веско запнулся на мгновение, а потом
продолжал не так уверенно:
— ...как быстро протекает она.
320
— Что это значит: «как быстро протекает она»?
Чтобы понять, быстро ли идет реакция при разных
условиях, нужно измерить ее скорости при этих
условиях и сравнить их. Как именно ты измеришь и
сравнишь? Вот это я хотел бы услышать.
Веско подумал, потом беспомощно посмотрел на
отца.
— По правде говоря, мне не приходил на ум
такой вопрос.
— Неужели? Вы спорили, не зная, о чем? А
насколько мне помнится, я вам говорил, как
определяют скорость химической реакции. Да, когда
объяснял вам роль катализатора. Но кажется, вы все трое
забыли.
Мальчики смутились и опустили головы.
— Выше головы, нечего отчаиваться! — засмеялся
отец. — Вероятно, я не так, как следовало бы,
объяснил вам это. Может быть, я только между прочим
вспомнил об этом и вы не заметили.
— Выходит, все то, что говорил нам Веско,
неправильно? А он так важно объяснял, — покачал
головой Любчо.
— Веско просто сообщил вам кое-какие сведения,
но не объяснил их, — возразил отец.
— Тогда объясни нам ты, — попросил Петя.
— Действительно, папа, расскажи, как измеряется
скорость химической реакции, — поддержали его и
Любчо, и Веско.
— Знаете, что? Я очень голоден, а «голодный
медведь хоровод не водит». Зовите маму ужинать, а
потом мы ПОСМОТРИМ,
ЧТО ПОКАЗЫВАЕТ СЕРЬЕЗНЫЙ ОПЫТ
И ОБСУДИМ ЭТОТ ВОПРОС ПОДРОБНЕЕ.
Мальчикам не терпелось поставить опыт, но
нужно было слушаться отца.
— Папа, я вспомнил, как измеряют скорость
химической реакции; — заявил вдруг Петя. — Если в
двух различных сосудах происходит одна и та же
реакция, то в том сосуде, где больше получается
вещества, она идет быстрее.
11 Зак 520
321
— Смотри-ка! Ты догадливый парень, хотя это
еще и не совсем правильный ответ. Это все равно,
что сказать: «Сегодня Веско проехал на велосипеде
15 километров, а папа на легковой машине 10;
выходит, велосипед Веско двигался быстрее папиного
автомобиля». Может быть, я проехал меньше, чем он,
но быстрее. Чтобы сказать, кто двигался быстрее,
что нужно знать, кроме пройденного пути?
— Нужно знать, за какое время пройден путь.
Если ты преодолел его за 10 минут, а Веско за это же
время сделал только 3 километра, значит ты двигался
быстрее.
— Тецерь мне ясно, — заметил Веско. — Чтобы
узнать, с какой скоростью протекает химическая
реакция, нужно знать не только количество полученного
вещества, но и время, за которое оно получено. Чем
больше вещества получено за одно и то же время, тем
больше скорость реакции.
— Это почти правильный ответ, — согласился
отец.
Веско посмотрел на него вопросительно: «В чем
еще ошибка, не могу догадаться?»
— Я тебе помогу. Если реакция протекает в
сосудах с разными объемами, например, в пробирке и в
ванне, объем которой в тысячу раз больше, чем
пробирки, то возможно, что скорость реакции в пробирке
будет больше, несмотря на то, что в ней образуется
меньше вещества, чем в ванне.
— Верно. Об этом я не подумал!—согласился
Веско. — Если объем ванны в 1000 раз больше объема
пробирки, то в ней будет находиться гораздо больше
реагирующих веществ.
— Точно. Надеюсь, что это понятно и вам, —
обратился он к младшим сыновьям. — Как видите, чтобы
сказать, с какой скоростью протекает реакция, нужно
знать, во-первых, какое количество вещества
образуется, во-вторых, за какое время оно образуется, и,
в третьих, в каком объеме проходит реакция.
Количество вещества в единице объема представляет его
концентрацию. Поэтому чтобы узнать скорость
реакции, нужно знать, как быстро изменяется
концентрация реагирующих веществ или продуктов реакции.
В ходе реакции реагирующие вещества расходуются,
322
т. е. их концентрация уменьшается, а количество
продуктов реакции накапливается, их концентрация
растет. Поэтому говорят, что скорость реакции
измеряется изменением концентраций в единицу времени.
При этом не имеет значения, измеряется ли
концентрация какого-нибудь продукта реакции или какого-то
из реагирующих веществ, так как, с какой скоростью
расходуется одно вещество, с такой же скоростью
образуется другое.
— Это мы знаем: раз продукты образуются из
реагирующих веществ, другого не может и быть, —
добавил Любчо. — Давайте поскорее ставить опыт!
Вскоре под руководством отца мальчики
приготовили все необходимое для опыта. Шесть одинаковых
лабораторных стаканов были выстроены в два ряда.
— Папа, не можешь ли ты сказать, какой опыт мы
будем ставить? Какое вещество растворяется?
— Правильно делаешь, что спрашиваешь. В
большом стакане я растворил кристаллы тиосульфата
натрия, который обычно используется как фиксаж при
проявлении фотографической пленки. В этом опыте
мы проверим, как действуют температура,
концентрация...
— Я уже говорил, — вставил Веско, — что
скорость, с которой идет реакция, зависит от
температуры, давления, концентрации и от катализатора.
— И это все?
— А разве есть еще и другие условия?
— Забыл самое главное. Если скорость реакции
зависит только от этих перечисленных тобой
факторов, то реакция между различными веществами будет
протекать с одной и той же скоростью при одинаковых
условиях. Например, возьмем два одинаковых сосуда
и в одном смешаем газы — водород и хлор, а в
другом водород и пары иода. Концентрация,
температура и давление в обоих сосудах одинаковые,
катализаторов совсем не будет. С одинаковой ли скоростью
будут идти реакции в обоих сосудах?
Веско подумал, потом неуверенно сказал:
— Раз все условия одинаковые... — с одинаковой.
— Ошибаешься. Хлор и водород реагируют
быстрее. Запомните хорошенько: скорость химической
реакции зависит прежде всего от химической природы
11*
323
реагирующих веществ. Вы знаете, что чистое золото
не изменяется на воздухе. А если вы поскоблите
немного олово, откроется блестящая поверхность
металла. Но уже через несколько часов эта поверхность
потеряет свой блеск, посинеет, так как окисляется под
воздействием кислорода воздуха. Если сделать то же
самое с металлом натрием, поверхность его потеряет
свой блеск через несколько минут. Золото не
взаимодействует с кислородом воздуха, олово окисляется, но
медленно, а натрий — довольно быстро. Есть
вещества, которые окисляются настолько быстро, что
самовоспламеняются на воздухе. Запомните, что
скорость реакции зависит главным образом от природы
реагирующих веществ.
— Это понятно, — сказал Любчо, — но почему мы
не начинаем опыт? Дай я налью кислоту.
— Извините меня, но я вам не доверяю. Серная
кислота, особенно концентрированная, очень опасна.
Если она попадет в глаз, человек может ослепнуть.
Поэтому, Любчо, на этот раз я буду наливать кислоту
сам. Тиосульфат натрия реагирует с серной кислотой
и выделяется сера. Сейчас, после того как вы поняли,
как важна химическая природа реагирующих веществ,
я вам покажу, как влияет их концентрация на
скорость реакции, хотя Петя показал это еще в «День
химического волшебства».
— Не помню, чтобы я делал что-нибудь такое,—
удивился Петя.
— Как же? — возразил ему отец. — Как ты
доказывал, что перекись водорода выделяет кислород?
— Я поднес к стакану тлеющую лучинку, и она
воспламенилась.
— Видишь? Потому что при разложении перекиси
водорода выделяется кислород, его концентрация в
стакане становится намного больше, чем в
окружающем воздухе. Из-за этого скорость горения лучинки
увеличилась, и от тления она перешла к буйному горению.
— Верно! Теперь я вспомнил, что ты это уже
объяснял мне.
Веско, который покачивал стакан, чтобы быстрее
растворился тиосульфат натрия, подал его отцу.
— Готово! Давай начинать! Что мы будем
наблюдать дальше?
324
Отец засмеялся.
— Вы очень нетерпеливы. Как я уже сказал, между
тиосульфатом натрия и серной кислотой происходит
химическая реакция, при которой выделяется сера.
Проследим, как изменяется скорость реакции, если мы
изменим концентрацию, а все другие условия будем
поддерживать без изменения.
— Как мы разберемся, в каком стакане реакция
идет быстрее, а в каком медленнее? — спросил Веско.
— При выделении серы ее частички, которые
имеют очень малые размеры, не выпадают на дно в
виде осадка, а остаются в растворе в виде мути. В том
стакане, где раствор помутнеет раньше, там и...
— Там и скорость реакции будет самой большой,—
подхватил Веско.
— В том стакане, где муть появится позже всех,
скорость реакции была самой маленькой, —
авторитетно заявил Петя.
— Раз вы все поняли, посмотрим, что покажет
опыт, — сказал отец. — В эти три стакана я налил
одинаковое количество серной кислоты. В остальные
три налью тоже одинаковые по объему растворы
тиосульфата натрия в воде, но различной концентрации.
Объясняя, отец одновременно наливал растворы.
В первый стакан он налил 4 маленьких стаканчика
воды и 1 стаканчик раствора тиосульфата натрия из
большого стакана — всего 5 стаканчиков жидкости.
Во второй стакан налил 3 стаканчика воды и 2
стаканчика раствора — всего тоже 5 стаканчиков
жидкости. В третий стакан было налито 2 стаканчика воды и
3 стаканчика раствора — тоже 5 стаканчиков жидкости.
— Теперь смешаем растворы тиосульфата с
серной кислотой.
— Папа, разреши нам самим сделать опыт, мы
будем очень осторожны, — попросил Петя.
— Хорошо. Каждый из вас пусть возьмет по
одному стакану с серной кислотой и по одному с
раствором тиосульфата натрия. Ты, Веско, бери стакан с
самым разбавленным раствором, Любчо возьмет
стакан с раствором средней концентрации, а Петя —
самый концентрированный. Теперь осторожно, по моей
команде, вы смешаете оба раствора и будете
наблюдать, через какое время в стаканах появится муть.
325
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ЗАВИСИТ ОТ ПРИРОДЫ
ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОДОБНО ТОМУ, КАК СКОРОСТЬ
ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ СВОЙСТВАМИ
ВЕЩЕСТВ. НАПРИМЕР, СКОРОСТЬ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
ЗАВИСИТ ОТ ИХ ВЯЗКОСТИ
Братья приготовились, со стаканами в руках
ожидая команды отца.
— Наливать нужно кислоту в раствор, а не
наоборот. Если не соблюдать этого правила, то кислота
может выплеснуться, — предупредил их отец.
Он снял часы, положил их на стол перед собой.
— Внимание... Приготовились... — сказал он, не
отрывая глаз от секундной стрелки. — Начали!
Мальчики вылили кислоту в чашки с раствором и
стали ждать. Особенно нетерпелив был Петя.
— А, мутнеет!.. Нет, я ошибся... Вот, вот,
мутнеет!— первый закричал он.
Отеи наклонился над чашкой.
— Да. Появилось слабое помутнение раствора.
Запиши: через 67 секунд.
Любчо тоже ждал, стараясь не выдать своего
волнения, когда и в его чашке появится муть. Через
некоторое время он сказал:
— Папа, посмотри мой раствор.
Отец посмотрел.
— Нужно сообщать вовремя, — сказал он. —
Запиши: через 160 секунд.
Только Веско спокойно следил за своим стаканом.
Он знал, что его смесь помутнеет последней. Ведь
у него был самый разбавленный раствор.
— Готово! — сказал наконец и Веско. — Смотрите!
235 секунд. Теперь мы можем сказать, что объем,
концентрация кислоты, температура и давление были
одинаковые во всех трех сосудах, следовательно,
различная скорость реакций была обусловлена только
тем, что концентрация растворенного вещества была
разной. Вот что показал этот опыт. Муть появилась
сначала в стакане, где концентрация была наивысшей.
Следовательно, в ней скорость реакции была
наибольшей. А меньше всего скорость была в стакане с
самым разбавленным раствором. Там раствор помутнел
последним. Вывод может быть только один: чем
больше концентрация реагирующих веществ, тем выше
скорость реакции, которая протекает между ними.
— Совершенно верно, Веско. То, что ты сказал,
называют законом действия масс. Он выражает
зависимость скорости реакции от концентрации реагируют
щих веществ.
327
■— Кто открыл эту зависимость? — спросил Любчо.
— Этот закон открыли норвежские ученые Гульд-
берг и Вааге в 1867 г. Они сформулировали его так:
«Скорость реакции прямо пропорциональна
произведению концентраций реагирующих веществ».
— А есть какая-нибудь формула, по которой можно
вычислить скорость реакции? — спросил Веско.
Он всегда интересовался формулами и на этот раз
остался верен себе.
— Конечно, эта формулировка закона действия
масс имеет и математическое выражение, — ответил
отец. — Если буквой v мы обозначим скорость реакции,
а молярные концентрации, т. е. число молей в одном
литре раствора обозначим буквой С\ для кислоты и С2
для раствора твердого вещества, то можно записать
этот закон так:
v = kC{C2
— А что такое £?
— Этой буквой обозначают постоянную величину,
которая называется константой скорости реакции.
— Папа, давай лучше сделаем еще один опыт.
Оставь эту константу, это неинтересно — раз она
постоянна,— попросил отца Петя.
— Если тебе не интересно, ты не слушай, но не
мешай другим, — сказал Веско.
Любчо присоединился к нему.
— Мы уже видели, что скорость реакции
возрастает с увеличением концентрации реагирующих
веществ, но меня интересуют объяснения этого факта.
Если ты хочешь только развлекаться опытами, то
должен подождать.
Отец разделял их мнение и прежде чем
продолжать он обратился к Пете.
— А ты пойди сюда и посмотри, интересная или
нет эта константа, Петя! Отец взял лист бумаги и
карандаш и начал писать и одновременно объяснять.
— Допустим, что эта константа неважна, как
сказал Петя, и напишем формулу закона действия масс
без нее. Кроме того, мы предположим, что реакция
"происходит между водородом и парами иода с
концентрацией один моль на литр, т. е. вместо обеих букв
С мы напишем...
328
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ЗАВИСИТ ОТ КОНЦЕН-
ТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ —ЧЕМ ВЫШЕ КОНЦЕНТ*
РАЦИЯ, ТЕМ БОЛЬШЕ СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ
— ...по единице, — вставил Петя.
■— Хватит вмешиваться, — рассердился Любчо.
— Ничего-ничего. Пусть скажет, какой будет
скорость реакции.
— Скорость реакции будет равна единице, —
ответил Петя.
— Совершенно верно. А теперь мы смешаем хлор
и водород одной и той же концентрации — по одному
молю на литр — и заставим их взаимодействовать
при тех же условиях. Какова будет скорость этой
реакции, вычисленная по формуле, но без учета
константы?
Петя опять поспешил ответить первым.
— Раз концентрации равны единице, то и в этом
случае скорость будет равна единице. Следовательно,
обе реакции будут протекать с одинаковыми
скоростями.
— А в действительности это так? Что вы
говорили до этого о взаимодействии водорода с хлором и
водорода с парами иода при одинаковых
условиях?
— Обе реакции протекают с различными
скоростями, несмотря на совершенно одинаковые условия,—
ответил Веско. — Теперь понятно, почему в формуле
есть такая константа. Она должна быть числом,
разным для различных реакций, так как при
одинаковых условиях они протекают с разными скоростями.
Чем быстрее протекает реакция, тем больше должна
быть константа скорости и, наоборот, меньшей
скорости соответствует меньшая константа.
— Браво, Веско! — похвалил его отец. — Ты
хорошо разобрался в этом. Как видите, константа
скорости важнее, чем думал Петя. Для различных
реакций это различное число, а для данной реакции это
постоянное число, которое мы не имеем права не
замечать в уравнении.
— Выходит, что если концентрация — единица, то
скорость равна константе скорости, — начал Веско,
увицсв, что написал его отец.
— Точно. Теперь вы сами видите, что константа
скорости равна той скорости, с которой протекает
реакция, когда концентрации реагирующих веществ
равны единице.
330
— Действительно, эта константа — важная
штука, — согласился Петя.
— Видишь! А ты торопился со следующим опытом.
Подожди, сейчас мы разберем, почему повышение
концентрации вызывает увеличение скорости. Ты
объяснишь нам, папа?
— А вы хотите знать и это? — усмехнулся их
отец.
— Ты сам говорил, что мало знать, что
происходит, а нужно знать, почему происходит.
— Верно, говорил. Раз так — придется объяснить
вам и это. Хорошо, но как?
Отец задумался.
— Как всегда, придумай что-нибудь
поинтересней,—сказал Петя.
— Поинтересней? Хорошо, — согласился отец.—
Тебе интересно есть черешню?
— Спрашиваешь! — засмеялся Петя.
— А как ты думаешь, есть ли какое-нибудь
сходство между тем, что ты ешь черешню и химической
реакцией?
— Не вижу никакого сходства, — ответил Петя.—
По-моему, есть только различия.
— Различия, конечно, есть, но есть и некоторое
сходство, хотя и чисто внешнее, формальное. Но оно
поможет вам понять, почему реакция протекает
быстрее, если концентрация веществ больше. Скажи мне,
что нужно сделать, чтобы закусить черешней?
— Известно, что! Нужно ее собрать, влезть на
дерево во дворе.
— Вот это первое сходство. Как ты не можешь
попробовать черешню на расстоянии, так и молекулы
не могут реагировать между собой на расстоянии.
Чтобы съесть черешню, ты должен «встретиться» с
ней — сам влезть на дерево или подождать, когда
кто-то принесет ее тебе. Чтобы молекулы начали
реагировать между собой, им нужно встретиться, подойти
на близкое расстояние друг к другу.
— Ты уже объяснял нам это. Мы знаем, что при
химической реакции происходит перемещение атомов.
Атомы одной молекулы переходят к другой. Ясно, что
для того, чтобы это произошло, молекулы должны
сблизиться.
331
— Да, это верно. Я забыл, что вы это знаете.
Теперь скажи мне, Петя, на каком из двух деревьев ты
быстрее наешься черешней.
— На дереве за оградой черешня уже собрана и
осталось ее совсем мало. За пять минут и горсти не
наберешь. А на дереве около дома ее много и за пять
минут можно насобирать больше чем полкило.
— Осторожно только — не объешься! — заметил
Любчо.
— Это второе сходство. Чем меньше черешни, тем
реже она будет попадаться тебе под руку. Чем ее
больше, тем чаще ты будешь ее срывать и больше
съешь. Когда концентрация небольшая, другими
словами, когда в единице объема небольшое количество
молекул, то они будут реже встречаться и реже
взаимодействовать между собой. И наоборот, чем
больше концентрация, чем гуще расположены молекулы,
тем чаще они сталкиваются и, следовательно, чаще
реагируют друг с другом.
— А это значит, что тем больше будет и
скорость реакции. Теперь уже все понятно, — сказал
Веско.
— Не только тебе стало понятно. И мы поняли!
Правда, Любчо? — обернулся Петя к брату.
— Я даже догадываюсь, почему при повышении
температуры скорость реакции возрастает, —
продолжал говорить Веско отцу. — Ты говорил, что когда
мы нагреваем какое-нибудь вещество, составляющие
его частицы начинают двигаться быстрее. Например,
мы нагреем смесь двух газов — водорода и паров
брома. Чем выше будет температура, при которой
совершается реакция, тем быстрее будут двигаться
молекулы реагирующих веществ и тем чаще они будут
сталкиваться. А раз столкновения молекул при
высокой температуре чаще, то и взаимодействовать они
будут чаще, чем при низкой температуре. Этим можно
объяснить большую скорость реакции при высокой
температуре.
Отец внимательно слушал рассуждения Веско.
— То, что ты говорил и верно, и нет, — сказал он
после небольшой паузы.
— Не может быть одновременно и да, и нет. Где
я ошибаюсь?
332
— Я не говорю, что ты ошибаешься. Но то, что ты
доказывал, не объясняет влияние температуры на
скорость реакции. ЧТОБЫ ЭТО БЫЛО ПОНЯТНО
НЕ ТОЛЬКО ТЕБЕ, НО И ТВОИМ БРАТЬЯМ,
ДАВАЙТЕ ПРОВЕДЕМ ОПЫТ, КОТОРЫЙ ПОКАЖЕТ,
КАКОЕ ВЛИЯНИЕ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ
ОКАЗЫВАЕТ ТЕМПЕРАТУРА И ДРУГИЕ
УСЛОВИЯ
Но тут случилось непредвиденное. Вошла мама и
сказала, что она не знает, как температура и
давление влияют на скорость химических реакций, но
убеждена, что необходимо повлиять на успехи Любчо и
Пети в других школьных науках.
Несмотря на то, что мальчики с нетерпением
ждали новых опытов, пришлось заняться своими уроками
и не протестовать, когда отец объявил «антракт» на
двадцать четыре часа. Они знали, что отец не любит
сделок и его любимая поговорка: «Две дыни под
одной подмышкой не носят».
Но на другой день после ужина отец, не
дожидаясь, когда его попросят, сказал:
— Мне нужны шесть чистых стаканов, кастрюля
с горячей водой и еще одна кастрюлька поменьше.
Распоряжение отца было сразу выполнено.
— На этот раз объем и концентрация должны
быть одинаковыми, а реакция будет проходить при
разной температуре, — сказал отец.
Он налил в три стакана одинаковое количество
кислоты, а в остальные три стакана одинаковое
количество раствора тиосульфата натрия. Потом он велел
Любчо поставить один стакан с кислотой и один с
раствором в кастрюлю и налить в нее немного теплой
воды. Веско должен был поставить свой стакан с
кислотой и раствором в другую кастрюлю с горячей
водой.
— Теперь подождем немножко, пока жидкости в
стаканах нагреются, а потом смешаем их, чтобы
произошла реакция. Петя проведет реакцию при
комнатной температуре, Любчо — при 50 °С, а Веско — при
90 °С.
333
Через десять минут термометр показал, что
жидкости в чашках нагрелись до нужной температуры.
Тогда отец дал команду и братья одновременно
смешали растворы.
— Наблюдайте внимательно, чтобы не
пропустить момента появления мути, — предупредил их
отец.
Почти сразу же отозвался Веско.
— Засекай время! У меня раствор помутнел.
Отец посмотрел на часы.
— Запиши, при температуре 90 °С помутнение
появилось через 20 секунд.
— Вот это быстро! — заметил Петя.
— Ты удивлен? Высокая температура — большая
скорость реакции, — сказал Любчо.
— Не отвлекайтесь, а то пропустите момент
помутнения, — сделал им выговор Веско.
Но он зря беспокоился. В стакане у Любчо муть
появилась только через две с половиной минуты
после начала опыта, а в Петиной — через 20 минут.
— Как сильно увеличивается скорость реакции
при повышении температуры! — удивился Петя. — При
комнатной температуре реакция шла почти в 60 раз
медленнее, чем при 90 °С.
— Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении
температуры скорость данной реакции увеличивается
от двух до четырех раз на каждые десять градусов.
Это правило не совсем точно. Есть такие реакции,
скорость которых повышается меньше чем в два раза,
а есть такие, скорость которых возрастает даже в
шесть раз при повышении температуры на 10 °С...
— Значит, нет точной математической формулы,
по которой можно вычислить изменение скорости
реакции при изменении температуры?
Конечно, это Веско интересовался формулами.
— Есть, — ответил ему отец. — Сванте Аррениус
нашел точную зависимость между температурой и
скоростью реакции, но нет смысла показывать вам
его формулу, так как она содержит еще не знакомые
вам математические действия.
— Тогда расскажи, почему повышение
температуры вызывает ускорение реакции. Ведь ты сказал,
334
что объяснение Веско и верное и ошибочное, —
попросил Любчо.
— В его рассуждениях верно то, что чем выше
температура, тем быстрее двигаются молекулы. Они
будут чаще сталкиваться и взаимодействовать друг
с другом, но это объясняет только некоторое
увеличение скорости.
— Почему некоторое? — спросил Веско.
— Ученые умеют измерять скорость движения
молекул. Когда измерили эту скорость при одной
температуре и при другой, на десять градусов ниже,
оказалось, что вследствие увеличения скорости молекул
число столкновений возросло, но меньше, чем в полтора
раза. Что из этого следует? Попробуй объяснить
мне сам.
— На каждые 10 градусов число ударов между
молекулами возрастает меньше чем в 1,5 раза, а
скорость реакции увеличивается от двух до четырех раз
и даже больше, — рассуждал вслух Веско. —
Следовательно, одним увеличением числа ударов между
молекулами нельзя объяснить такое большое ускорение
реакции при повышении температуры. Есть что-то
другое, но что? Не могу догадаться.
— Даже я не догадываюсь, — заявил Петя, и все
рассмеялись.
— Трудно догадаться. Придется вам помочь.
Когда я объяснял вам действие катализатора, я говорил
коротко об этом, но теперь скажу подробнее.
— Давай опять на черешнях, — предложил Петя.
— А чтобы лучше понять объяснения, слазим на
дерево за черешней, — предложил со смехом Любчо.
— Увы, на этот раз нельзя с черешней, потому что
мы дошли до различий между химической реакцией
и едой черешни. Если вы можете съесть каждую
черешню, которая встретилась вам (если она не гнилая,
конечно), то столкновение двух молекул не всегда
завершается реакцией.
— Откуда ученые знают это? — спросил Любчо.
— И почему это так?—дополнил его вопрос
Веско.
— Я уже говорил, что ученые могут измерить
скорость реакции и вычислить число ударов между
молекулами. И как вы думаете, что показали измерения
335
и вычисления? Если рассматривать какой-нибудь газ
при комнатной температуре и при давлении в 1
атмосферу, то каждая его молекула за 1 секунду
1000 миллиардов раз сталкивается с другими
молекулами.
— Ой, как много! — поразился Петя.
■— Так много, что напрасно вы бы старались
представить себе это. Если бы все удары заканчивались
реакцией, то реакции между газами должны были бы
всегда протекать мгновенно, в виде взрыва. Но факты
доказывают другое. Во многих случаях эти реакции
протекают с небольшой скоростью. Обыкновенно из
нескольких миллионов ударов только один
завершается химическим взаимодействием, а при остальных
столкновениях молекулы как мячики отскакивают друг
от друга, не претерпевая химических изменений.
— Я знаю, почему, — сказал Веско. — Недавно ты
объяснял нам: химическая реакция между
молекулами произойдет, если они так сильно ударятся друг
о друга, что в них разрушится часть химических
связей между атомами. Но если удар недостаточно силен,
молекулы отскакивают и реакции не будет.
— И я вспомнил, что папа это объяснял нам в
«День химического волшебства», — сказал Петя. — Но
я не понял, почему удары не одинаково сильны, если
молекулы одинаковы.
— Я говорил об этом, только ты, вероятно, опять
забыл. А может быть, я недостаточно хорошо
объяснил. Послушайте сейчас и поймете.
— Молекулы газа двигаются во всех направлениях
с различной скоростью. Когда...
— Почему они не двигаются с одной скоростью? —
прервал его Петя.
— Даже если допустить, что они в какой-то момент
двигались с одинаковой скоростью, то уже в
следующий миг их скорость будет различной.
— Но почему? — настаивал Петя.
— Предположим, что в данный момент все
молекулы двигаются одинаково быстро. Но ведь мы не
можем допустить, что все они двигаются не только
с одной скоростью, но и в одном направлении. Если
бы это было так, то они все давили бы на одну
стенку сосуда, в котором помещен данный газ.
336
— Итак, несмотря на одинаковую скорость, из-за
различного направления движения молекулы будут
сталкиваться под разными углами, и в следующий
момент их скорость уже изменится.
— И что из этого? — спросил Петя.
— Ты еще не понял? — опередил отца Веско.—
Чтобы молекулы реагировали, нужно разрушить в них
химические связи между атомами...
— Или ослабить эти связи, — дополнил отец.
— Чтобы разрушить или намного уменьшить
химические связи в молекулах, они должны так
столкнуться, чтобы удар был сильным. Этот удар будет
достаточно силен только в том случае, если молекулы
двигаются быстро. Как ты уже понял, их скорости
в каждый момент различны и поэтому не каждый удар
настолько силен, чтобы завершиться разрушением
химических связей в молекуле или уменьшением их
силы. Выходит, большинство ударов при обычных
условиях— слабые и небольшая часть — сильные.
— Правильно, Веско, — заметил отец. — При
повышении температуры, как ты уже говорил, молекулы
начинают двигаться быстрее и поэтому чаще
сталкиваются. Это, конечно, приводит к известному
увеличению скорости реакции. Но другое важнее: двигаясь
с большей скоростью, молекулы сильнее ударяются
при встречах. Будет ли совершаться реакция,
зависит прежде всего от силы удара. Надеюсь, что вы это
уяснили себе.
Если вы помните, я говорил вам раньше, что
молекулы, обладающие достаточно большой энергией для
того, чтобы при ударе реагировать между собой,
называют активными молекулами. Это как раз те
молекулы, которые двигаются достаточно быстро.
Увеличение скорости реакции при повышении температуры
объясняется не столько тем, что молекулы
сталкиваются чаще, сколько тем, что они ударяются сильнее.
Нагревание приводит к быстрому увеличению числа
активных молекул. Активные молекулы двигаются с
большой скоростью, и ученые называют их
молекулами, богатыми энергией.
— Вот в чем дело, — сказал Петя. — Высокая
температура вызывает быстрое движение молекул, более
1/2П Зак. 520
337
частые и сильные удары, а отсюда и большую
скорость реакции.
— Я рад, что ты понял, — улыбнулся ему отец.
— Не так уж сложно, — самонадеянно заметил
Любчо. — Осталось только рассказать, как влияет
давление, и мы будем знать все о скорости реакции.
— Не все, а самые важные факторы, от
которых зависит скорость реакции, — поправил его отец.—
О влиянии давления вы уже знаете.
— Но ты же ничего не объяснял еще о давлении,—
сказал Веско.
— Сейчас увидите, что объяснял. Что значит —
повысить давление реагирующих веществ в сосуде, где
совершается реакция? Для этого надо ввести в сосуд
новую порцию этих веществ. Число их молекул в
сосуде увеличится, а это, в сущности...
— Повышение концентрации... — подхватил вновь
Веско. — Верно, ты почти объяснил нам это. Ясно:
повышение давления ускоряет реакцию, понижение
давления замедляет ее.
— Когда давление повышается за счет
уменьшения объема, в котором совершается реакция, то это
означает повышение концентрации, так как то же
самое количество вещества оказывается в меньшем
объеме.
— Я все понял, — заявил Любчо.
Веско промолчал, а Петя спросил с притворной
наивностью:
— Любчо, я не понял, объясни мне. Ты можешь?
— Конечно! — с готовностью ответил Любчо.—
что тебе неясно?
— Если в два одинаковых сосуда поместить
одинаковое количество водорода и хлора — в один и
водорода и паров иода — в другой. Раз температура и
давление в обоих сосудах одинаковые, молекулы
будут ударяться между собой с одинаковой силой и
число ударов в одну секунду будет тоже одинаково.
Верно?
— Да, это так, — ответил Любчо.
— Раз скорость реакции зависит от числа удароз
в секунду и от силы этих ударов, то почему же тогда
водород и хлор реагируют быстрее, чем водород
и иод?
338
— Но ведь ясно... — сказал Любчо и слегка
смутился. Потом вдруг догадался. — Ясно, почему:
потому, что молекулы хлора и иода различаются по
своим свойствам.
— Не понимаю, — сказал Петя. — И одни, и
другие молекулы состоят из атомов, связанных
валентными связями. Почему в одних случаях эти связи
разрушаются или уменьшаются при ударах, а в других
случаях такие же по силе удары не могут разрушить
молекулу?
Было ясно, что Любчо не может ответить на этот
вопрос, и поэтому вмешался отец.
— Петя, как ты себе представляешь эти
валентные связи? Что-то вроде ниток, которыми связаны
атомы? Ты считаешь, что молекулы различных веществ
отличаются только тем, что состоят из различных
атомов? И связи между атомами, по-твоему, одинаково
сильны? Атомы в молекуле притягиваются друг к
другу таким же способом, как магнит притягивает
к себе железные предметы. Сила, с которой
притягиваются и задерживаются атомы в молекуле одного
вещества, т. е. сила валентных связей между атомами
одного вещества, отличается от силы валентных
связей, которые связывают атомы в молекулах другого
вещества. Легко можешь убедиться сам, что это так.
Вот тебе карандаш, а вот гвоздь, толстый, как
карандаш. Попытайся их сломать руками.
— Карандаш могу, а гвоздь никто не может
сломать,— сказал Петя.
— Это так, потому что связи между частицами
у гвоздя прочнее, чем в дереве. Чтобы сломать
карандаш и гвоздь, потребуются разные силы. Так и для
разрушения или заметного уменьшения валентных
связей в молекулах различных веществ нужно разное
количество энергии.
— Ты понял, Любчо? — обернулся Петя к брату.—
Несмотря на равное число ударов и одинаковую силу
этих ударов между молекулами в одних и тех же
условиях, различные газы реагируют друг с другом
с разной скоростью, поскольку сила валентных
связей в их молекулах неодинакова. Теперь уж можешь
похвастать, что знаешь, от чего зависит скорость
реакции.
Vtll*
339
МОЛЕКУЛА БЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫ НЕ ТАК УЖ ВЕЛИКА, НО
ИОН ВОДОРОДА ЗАНИМАЕТ В НЕЙ СОВСЕМ МАЛУЮ
ЧАСТЬ
^>->
— Это было бы неверно, — сказал отец.
— Почему? Я думал, что ты рассказал нам все,—
удивился Петя. — Чем чаще и сильнее соударяются
молекулы и чем слабее силы валентных связей между
атомами в них, тем больше будет скорость реакции.
— Дело в том, что в некоторых случаях (и они
не редки) число и сила ударов велики, валентные
связи слабы, а несмотря на это, скорость реакции
небольшая.
— Только я подумал, что все знаю, и сразу
оказалось, что есть еще что-то, чего я не знаю. Выходит,
молекулы могут сталкиваться с большой силой, иметь
слабые валентные связи и, несмотря на это, не могут
реагировать друг с другом? Это уже какое-то
своеволие с их стороны! — пошутил Веско.
— Никакого своеволия, Веско. Есть молекулы,
которые состоят из десятков атомов, и не все, а только
некоторые или несколько из них способны
реагировать. Рассмотрим, к примеру, молекулу бензойной
кислоты. Она не очень большая, но реакционноспособ-
ная ее часть — карбоксильная группа СООН, а точнее,
катион водорода, — занимает совсем уж небольшой
объем в ней. В подобных случаях молекулам нужно
не просто столкнуться, а удариться именно теми
своими частями, которые могут реагировать. Из многих
ударов только один оказывается результативным.
— Почему молекулы так редко сталкиваются
своими реакционноспособными частями? — спросил Веско.
— Чтобы разобраться в этом, я приведу вам один
лример. Молекулы органических кислот и спиртов
могут состоять из десятков атомов углерода и
водорода, но реакционноспособной являются только те
части молекул, которые содержат карбоксильную группу
СООН и гидроксильную группу ОН. Если нереакцион-
носпособную часть молекулы представить в виде
линии, а реакционноспособную группу атомов — в виде
кружка, то можно изобразить на бумаге несколько
возможных вариантов столкновения таких молекул.
И отец-нарисовал несколько примеров.
— И это еще не все возможные случаи
соударений молекул. Только один из этих ударов
благоприятен для взаимодействия — это первый случай,
нарисованный в большом кубе.
341
ЧТОБЫ ПРОТЕКАЛА РЕАКЦИЯ, МОЛЕКУЛЫ ДОЛЖНЫ Н£
ПРОСТО УДАРЯТЬСЯ ДРУГ О ДРУГА, А УДАРЯТЬСЯ
ИМЕННО ТЕМИ ЧАСТЯМИ, КОТОРЫЕ СПОСОБНЫ РЕАГИРОВАТЬ
— Это, вероятно, относится только к сложным
молекулам,— сказал Любчо.
— Конечно, чем сложнее молекулы, тем реже
будут благоприятные для взаимодействия столкновения
между ними. Но и сравнительно простым молекулам
тоже необходима подходящая ориентация при
столкновении, чтобы произошла реакция. Примером может
быть реакция между водородом и иодом. И здесь
возможны удары нескольких видов, из которых только
один может привести к взаимодействию молекул.
— Папа, мне кажется, я понял твои объяснения,
но я прямо скажу тебе: мне не ясно, зачем химики
занимаются изучением законов, которые управляют
скоростью химических реакций. Так ли важно их знать? —
спросил Петя.
— Как же не важно, Петя? Если они знают эти
законы, — а вы уже поняли, что ученые хорошо их
знают, — они смогут управлять скоростью реакций.
Представь себе, что какая-нибудь реакция, в
результате которой получается очень нужный людям
продукт, протекает очень медленно. Тогда эта реакция
не может быть использована в заводских условиях.
Или коррозия, например. Это химическая реакция,
которую химики стараются всеми средствами
замедлить. Если бы они не знали, как это сделать, то
большая часть машин, которыми мы пользуемся, служила
бы нам гораздо меньший срок, а сооружение стальных
корпусов для кораблей было бы вообще немыслимо.
Но химики изучают эти явления и уже узнали многие
законы, которым подчиняются реакции, научились
ускорять их или замедлять.
— А мы каждый день ускоряем химические
реакции, не зная законов, которые ими управляют,—
значит, и нет необходимости их изучать. Вот
пример, — и Петя указал на кастрюлю-скороварку.
— Ты забываешь, что, не зная этих законов, люди
не могли бы сделать даже такую кастрюлю. Чем
лучше мы изучим природу и ее законы, тем легче нам
будет подчинить ее своей воле и использовать ее на
благо человеку.
— Я непременно буду ученым! — заявил Петя.—
Только вот что меня злит...
— Что? — поинтересовался Веско.
343
ЕЩЕ ОДИН ПРИМЕР ТОГО, ЧТО МОЛЕКУЛЫ ДОЛЖНЫ
СТАЛКИВАТЬСЯ НЕ ТОЛЬКО СИЛЬНО, НО И ТЕМИ ЧАСТЯ-
МИ, КОТОРЫЕ СПОСОБНЫ РЕАГИРОВАТЬ
МОЛЕКУЛА ИОДА
МОЛЕКУЛА ВОДОРОДА
— Ученые уже открыли, от чего зависит скорость
химических реакций, и я не смогу это открыть!
Все засмеялись его шутке.
— Будь спокоен, Петя, — сказал отец. — В
природе еще столько неизвестного... И не только для
тебя, но и для твоих прапраправнуков найдется, что
открывать. Всегда будет, что открывать. Ты только
учись! Ведь не зная того, что уже открыто наукой,
нельзя сделать новые открытия.
12 Зак. 520
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА *
К. А. Гладков. Атом от «А» до «Я». 2-е изд. М, Атомиздат,
1974, 271 с.
Л. Бобров. Глазами Монжа — Бертолле. М, «Молодая
гвардия», 1964, 319 с.
М. X. Карапетьянц. Введение в теорию химических
процессов. М., «Высшая школа», 1970, 284 с.
Б. М. Кедров, Д. Н. Трифонов. Закон периодичности и
химические элементы. Открытия и хронология. М., «Наука», 1969,
190 с.
Дж. Кемпбел. Почему происходят химические реакции? Пер.
с англ. М., «Мир», 1967, 158 с.
В. И. Кузнецов. Разбитие учения о катализе. М, «Наука»,
1964, 423 с.
A. А. Макареня. Д. И. Менделеев и физико-химические науки.
М., «Атомиздат», 1972, 254 с.
Л. Я. Марголис. Волшебная палочка химии. М., «Наука»,
1964, 119 с.
Л. М. Письмен. От чуда к числу. М., «Педагогика», 1973,
207 с.
B. И. Семишин. Периодическая система химических
элементов Д. И. Менделеева. М., «Химия», 1972, 186 с.
Ю. И. Соловьев. История учения о растворах. М, Изд. АН
СССР, 1959, 581 с.
Ю. И. Соловьев. Очерки по истории физической химии. М.,
«Наука», 1964, 330 с.
Ю. И. Соловьев, Н. А. Фигуровский. Сванте Аррениус. М.,
Изд. АН СССР, 1959, 178 с.
Е. М. Шусторович. Химическая связь М., «Наука», 1974,
228 с.
*Список составлен Р. Б. Добротиным.
НЕКОТОРЫЕ ДАТЫ ИЗ ИСТОРИИ ХИМИИ
ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О РАСТВОРАХ
Период алхимии
Алхимики ищут «алкагест» — мифический универсальный
растворитель, который, по их мнению, способен растворять все тела,
XVI-XVII вв.
Пьер Гассенди (1592—1655), Роберт Бойль (1627—1691),
Николай Лемери (1645—1715) и др. развивают корпускулярную
теорию растворов. Согласно этой теории, растворение — механический
процесс. Корпускулы растворителя проникают в поры
растворяющегося тела и отделяют от него частички. Эти частицы, в свою
очередь, попадают в поры растворителя. Таким образом
получается раствор. Корпускулярная теория с современной точки
зрения выглядит очень наивной, но по сравнению с
представлениями алхимиков она была шагом вперед — волшебным
свойствам универсального растворителя «алкагеста» эта теория
противопоставила поиски истинных причин растворения в строении
растворимого вещества и растворителя.
Георг Шталь (1657—1734) первый обратил внимание на
специфичность растворителей и попытался ее объяснить. По его
мнению, каждая жидкость, являющаяся растворителем, должна
состоять из таких частиц, которые по своему строению более или
менее соответствуют порам растворяющегося вещества. Поэтому
данная жидкость может растворять только определенные
вещества.
1704 г.
Исаак Ньютон (1642—1727) положил начало механической
теории растворов. В рукописи «О природе кислот» он излагает
сущность своей теории следующим образом: процесс растворения
обуславливается силами притяжения, которые действуют между
частицами растворителя и растворимого вещества; эти силы
аналогичны силам всемирного тяготения. Согласно Ньютону, самые
мелкие частицы вещества испытывают притяжение, прямо
пропорциональное массе и обратно пропорциональное квадрату
расстояния.
1745 г.
Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765) публикует
«Диссертацию о действии химических растворителей вообще». Теория
растворов — один из основных объектов исследований
Ломоносова в области физической химии.
1748 г.
Аббат Жан Антуан Ноле (1700—1770), профессор физики в
Париже, впервые наблюдает явление осмоса. Он изучал
процессы кипения жидкостей. Желая предохранить сосуд со
спиртом от проникновения в него воздуха, он завязал его отверстие
12*
347
пленкой из животной ткани. Этот сосуд Ноле погрузил на дно
другого сосуда, наполненного водой, и через несколько часов
заметил, что пленка на первом сосуде вздулась. Он правильно
объяснил это явление более легкой проницаемостью пленки для
спирта, чем для воды.
1752—1756 гг.
Ломоносов развивает свою физико-химическую теорию
растворов. Он первым обращает внимание на влияние температуры
на растворимость веществ. Он проводит многочисленные опыты
по растворению веществ при различных температурах и
результаты заносит в специальные таблицы.
1780—1790 гг.
Товий Егорович Ловиц (1757—1804) исследует
кристаллизацию солей и других веществ из растворов.
1800 г.
Английские ученые Уильям Николсон (1753—1815), Антони
Карлайл (1768—1840) и Уильям Круйкшанк (1745—1810)
опубликовали результаты проведенных ими опытов, в которых с
помощью вольтова столба они разлагали воду и наблюдали
выделение водорода и кислорода. Это была первая химическая
реакция в растворе, совершающаяся под действием электрического
тока.
1800 г.
И. Риттер (1776—1810) проводит электролиз растворов
некоторых солей. При этом он наблюдает выделение металла на
отрицательном электроде и кислорода на положительном
электроде.
1802 г.
Василий Владимирович Петров (1761 —1834) построил
мощный источник постоянного тока — электрическую батарею из
4200 медных и цинковых кругов. С ее помощью он провел
электролиз раствора соли одновременно в нескольких сосудах.
1803 г.
Вильям Генри (1775—1836) формулирует закон о
растворимости газов при различном давлении. В письме к Джону
Дальтону Генри сообщает о своем важном открытии: количество
любого газа, поглощенного водой, увеличивается прямо
пропорционально давлению газа над поверхностью раствора. Растворимость
газов в жидкости наблюдал еще Роберт Бойль. Он подчеркивал
разницу между смесью воздуха и воды и смесью соли и воды.
Джозеф Пристли (1733—1804) тоже обращал внимание на
растворимость газов в жидкостях. Но впервые это явление было
количественно исследовано Генри.
1803—1807 гг.
Ионе Якоб Берцелиус (1779—1848) и Вильгельм Гизингер
(1766—1852), изучая электролиз различных солей, серной кислоты
и других веществ, устанавливают, что металл и водород всегда
выделяются на отрицательном электроде. Они доказали, что ме-
348
талл — первичный продукт электролиза, а не образуется, как
предполагалось до этого, при взаимодействии соли с водородом
в момент его выделения.
1803 г.
Вышла в свет книга Клода Луи Бертолле (1748—1822) «Опыт
химической статики». В ней излагается идея об отсутствии
резкой границы между химическими соединениями и растворами. По
мнению Бертолле, растворение — это химический процесс,
который происходит благодаря химическому сродству растворителя
и растворенного вещества. Бертолле стремился доказать, что
различие между химическим соединением и раствором заключается
только в различной степени сродства — в первом случае это
действие во много раз сильнее, чем во втором. Приверженцами
теории Бертолле были многие химики, в том числе Герман Гесс
(1802—1850), Томас Грэм (1805—1869). Против нее возражал
Берцелиус, который разработал собственную электрохимическую
теорию растворов.
1805 г.
Теодор Гротгус (1785—1822) предложил трактовку
механизма электропроводности растворов. Свои взгляды он изложил
в статье «Замечание о разложении воды и растворении в ней тел
с помощью гальванического электричества».
1806 г.
Гемфри Дэви (1778—1829) определяет объемное отношение
кислорода и водорода, полученное при электролизе воды, и
пытается объяснить образование этих газов. По его мнению,
«кислород и водород выделяются из различных частей воды». Это
утверждение, близкое к истине, постепенно заменило представление
Риттера, согласно которому вода — простое вещество.
1807 г.
Джон Дальтон (1766—1844) доказывает применимость
закона Генри о зависимости концентрации газов в растворах от
давления также для газовых смесей. Он вводит понятие
«парциальное давление».
1819 г.
Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) провел
экспериментальные исследования растворимости твердых тел в жидкости.
Он доказал, что растворы данного вещества, полученные при
одной и той же температуре, имеют один и тот же состав,
который при постоянной температуре остается неизменным
произвольно долгое время.
1833—1834 г.
Майкл Фарадей (1791—1867) открывает два основных
закона электролиза: 1. Количество вещества, выделяющееся при
электролизе на электродах, прямо пропорционально количеству
электричества, проходящего через раствор. 2. Одно и то же
количество электричества выделяет разные количества вещества,
которые относятся между собой, как их химические
эквиваленты,
349
Фарадей вводит термины: электрод, электролит, электролиз,
анод, катод, ион, анион, катион. Слово «ион» по-гречески
означает «странствующий», приставки «ана» и «ката» — «наверху» и
«внизу».
1836 г.
Английский физик и химик Джон Фредерик Даниэль (1790—
1845) изобретает удобный гальванический элемент, который
нашел широкое применение в электрохимии.
1838—1840 гг.
Петербургский физик Борис Семенович Якоби (1801—1874)
положил начало гальванопластике — электролитическому
отложению металлов на поверхности различных предметов с целью
получения точных металлических копий. Это было первое
использование электрохимии в практике.
1838 г.
Джон Фредерик Даниэль отмечает, что при прохождении
электрического тока через растворы различные виды ионов
двигаются с разной скоростью.
1853 г.
Немецкий химик Вильгельм Гитторф (1824—1914) исследует
механизм переноса электрического тока через раствор частицами
растворенного вещества.
1857 г.
Рудольф Клаузиус (1822—1888) опровергает
распространенное мнение, что ионы образуются в электрическом поле между
электродами. Опытным путем он доказал, что электрический ток
только направляет ионы к электродам.
1858 г.
Русский химик Дмитрий Николаевич Абашев (1829—1880)
положил начало изучению взаимной растворимости жидкостей.
1865 г.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) опубликовал
докторскую диссертацию на тему «О соединении спирта с водой».
Этой работой он начал свои фундаментальные исследования
растворов.
1875—1883 гг.
Фридрих Вильгельм Кольрауш (1840—1910) публикует
материалы своих исследований электропроводности водных растворов
солей оснований и кислот с разной концентрацией. Эти
исследования подготовили почву для теории электролитической
диссоциации. Кольрауш создал метод измерения электропроводности
растворов, который используется и в настоящее время.
1877 г.
Вильгельм Пфеффер (1845—1920) определил количественно
осмотическое давление растворов.
350
1877 г.
В третьем издании «Основ химии» Д. И. Менделеев дает
новую формулировку понятию «раствор»: «Раствор... есть
определенное соединение с водой в состоянии диссоциации». В
дальнейшем Менделеев развил эту мысль в гидратную теорию
растворов.
1878—1887 гг.
Франсуа Мари Рауль (1830—1901) изучает зависимость
понижения температуры замерзания растворов от природы
растворителя, концентрации растворов и от других факторов. Он
устанавливает, что между понижением давления пара над водным
раствором, понижением температуры замерзания и
молекулярным весом растворенного вещества существует тесная связь.
Рауль исследует большое число растворов органических веществ
в воде, измеряет температуру замерзания различных спиртовых
растворов и т. д. На основе этого материала Рауль сделал
заключение (1884 г.), что температура замерзания раствора
зависит не от характера растворенного вещества, а только от
отношения числа растворенных частиц к числу частиц растворителя.
Рауль первый доказал возможность использования этой
зависимости для определения молекулярного веса растворенного
вещества при температуре замерзания раствора.
1881—1883 гг.
Шведский физик и химик Сванте Аррениус (1859—1927)
начал в лаборатории Стокгольмской Академии наук исследования
электропроводности разбавленных водных растворов с целью
разработать методику определения молекулярного веса
растворенного вещества. В результате проведенного исследования была
опубликована первая работа Аррениуса, подготовившая почву
для развития теории электролитической диссоциации.
1884 г.
Аррениус защищает докторскую диссертацию, в которой
излагает свою теорию электролитической диссоциации, описывает
результаты исследования 45 электролитов.
Исследования Аррениуса, в которых были сделаны
неожиданные по тем временам выводы, не получили вначале признания.
На их справедливость первым обратил внимание Вильгельм
Оствальд (1853—1932). Он писал по этому поводу: «Всю свою
жизнь не забуду дня, когда я впервые столкнулся с именем
Сванте Аррениуса. Это было в июне 1884 г., когда мне в руки
попала его статья. Было очень трудно сразу воспринять ее, и я
провел лихорадочную ночь с дурными снами. То, что было
написано в ней, настолько отличалось от привычного и известного,
что вначале я склонен был принять все за бессмыслицу. Но
потом я натолкнулся на некоторые вычисления этого, очевидно,
очень молодого автора, которые приводят к тем же результатам,
что были достигнуты мною другим путем. Наконец, я понял, что
большая проблема родства между кислотами и основаниями,
которой я предполагал посвятить всю свою жизнь, была уже
решена».
351
1885 г.
Якоб Гендрик Вант-Гофф (1852—1911) публикует свою
работу «Химическое равновесие в системе газов и разбавленных
растворов». В ней Вант-Гофф пишет, что он «установил для
слабых растворов законы, аналогичные законам Бойля и Гей-Люс-
сака для газов: 1. Осмотическое давление прямо
пропорционально концентрации, если температура постоянна (зависимость,
аналогичная закону Бойля — Мариотта). 2. Осмотическое
давление прямо пропорционально абсолютной температуре (аналогия
с законом Гей-Люссака). 3. Эквимолекулярные количества
растворенного вещества создают одинаковое давление при
одинаковых других условиях». В этой работе Вант-Гофф развивает
основы своей физической теории растворов.
1887 г.
Аррениус сообщает в письме к Вант-Гоффу о чрезвычайно
важном выводе, к которому он пришел, на счет связи между
отклонениями от законов для осмотического давления и степенью
электролитической диссоциации.
В письме к Оливеру Лоджу Аррениус впервые сообщает о
теории электролитической диссоциации. В том же году выходит
из печати его классическое исследование «О диссоциации
растворенных в воде веществ», в котором новая теория получила
свое окончательное оформление: «Молекулы электролита
распадаются в растворе на электрически заряженные ионы».
Д. И. Менделеев публикует «Исследование водных растворов
по удельному весу». В своей статье он отмечает, что между
растворением и чисто химическими явлениями нет резкой разницы.
В этой работе он изложил основы своей гидратной теории
растворов.
1888—1890 г.
Герман Вальтер Нернст (1864—1941) устанавливает
зависимость между подвижностью ионов в растворе и коэффициентом
диффузии электролитов.
1891 г.
Морис Леблан доказывает, что для начала электролиза
необходимо точно определенное напряжение, которое зависит от
природы электролита. Это напряжение Леблан впервые назвал
напряжением разложения. Предположение о существовании
такого напряжения было сделано еще в 1838 г. Майклом Фарадеем.
Иван Алексеевич Каблуков (1857—1942) защитил
докторскую диссертацию, в которой он развивал дальше теорию
электролитической диссоциации. Особенно важны в этой работе
представления о диссоциирующей силе растворителя и идея
гидратации ионов. Каблуков содействовал сближению теории Аррениуса
с гидратной теорией Менделеева. По этому поводу сам
Каблуков писал: «Теорию электролитической диссоциации очень часто
противопоставляют химической, или гидратной, теории
растворения, одним из творцов которой является Дмитрий Менделеев.
Такое противопоставление, по нашему мнению, неправильно, В бу-
352
дущей, более полной теории растворения обе эти теории
сольются».
1923—1925 гг.
Питер Дебай и Эрнст Хюккель создают основы теории
сильных электролитов.
Исследования растворов становятся все многочисленнее и
разнообразнее. В настоящее время наука располагает данными
о природе сил, действующих между ионами и молекулами
растворителя, изучаются виды взаимодействия хмежду растворенными
частицами. Но еще не создана единая количественная теория,
которая бы правильно отражала свойства реальных растворов *,
ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О СТРОЕНИИ АТОМА
АТОМ НЕДЕЛИМ
Около 2300 лет атом считался самой маленькой простейшей
частицей, из которых состоят все тела. Этот период продолжался
с IV в. до н. э., когда древнегреческий философ Демокрит (460—
370 г. до н. э.) ввел понятие атом, и до конца XIX века.
АТОМ СЛОЖЕН
Результаты многих научных исследований доказали, что
атом является сложной системой, в состав которой входят эле*
ментарные частицы. Созданы модели строения атома.
1815 г.
Английский врач и химик Вильям Праут (1786—1850)
предложил гипотезу, что атомы всех элементов состоят из различного
числа атомов водорода. Эта идея Праута возникла на основании
того, что атомные веса элементов, известных в то время, в
большинстве случаев были целыми числами.
1869 г.
Вильгельм Гитторф (1824—1914) и Ю. Плюккер открыли
лучи, которые образуются при высоком напряжении между двумя
электродами, впаянными в стеклянную трубку с разряженным
газом (трубка Крукса). Эти невидимые лучи распространяются от
катода к аноду и заставляют флуоресцировать стенку
стеклянной трубки, на которую попадают. Эти лучи отклоняются в
электрическом или магнитном поле так же, как отклонялись бы
отрицательно заряженные частицы.
* Дополнительные данные по развитию теории растворов
можно почерпнуть из книги: Ю. И. Соловьев. История учения о
растворах. М., Изд. АН СССР, 1959. — Прим. ред.
353
1876 г.
Е. Гольдштейн (1850—1930) дал первую характеристику
лучей, вызывающих флуоресценцию, и назвал их катодными
лучами.
1880 г.
В. Крукс предположил, что частицы, образующие катодные
лучи, содержатся в атомах вещества, из которого состоит катод.
1881 г.
На основании законов М. Фарадея для электролиза Герман
Людвиг Гельмгольц (1821—1894) пришел к мысли, что
электрический заряд имеет атомную структуру.
1886 г.
Английский физик и химик Вильям Крукс (1832—1919) и
Е. Гольдштейн открывают каналовые лучи. Эти лучи возникают
в трубке Крукса и распространяются в направлении, обратном
катодным лучам. Они проходят через канальчики, прорезанные
в катоде (откуда произошло и их название), и вызывают
характерное свечение газа в трубке позади катода. Природа этих
лучей как потока из положительно заряженных частиц была
определена по их поведению в электрическом и магнитном поле.
В настоящее время известно, что они являются положительными
ионами, образовавшимися под влиянием ионизирующего
действия катодных лучей на атомы и молекулы газа.
1886—1905 гг.
Русский физик Николай Александрович Морозов (1854—
1946), находясь в царской тюрьме, разработал идею сложного
строения атома па основе открытого Менделеевым периодического
закона. Согласно Морозову, атомы всех химических элементов
состоят из частиц пяти основных видов: три частицы с атомными
весами 1, 2 и 4 — структурный водород, протогелий и аргоний,
и две частицы электричества — катодий и анодий.
1891 г.
Джонстон Стони предлагает называть самое малое
количество положительного или отрицательного электричества
греческим словом «электрон» — «янтарь» (издавна известно, что
янтарные палочки, натертые шерстяной материей, притягивают к себе
бумажки). Позже понятие «электрон» утвердилось в науке для
обозначения элементарной частицы, несущей на себе самое
малое количество отрицательного электричества, принятое за
единицу отрицательного электрического заряда. Таким образом,
электрон получил свое название еще до того, как был открыт.
1895 г.
Вильгельм Рентген (1845—1923) открывает лучи с
неизвестными до этого свойствами, которые он называет икс-лучами.
Позже эти лучи получили имя своего открывателя — рентгеновские
лучи. Катод рентгеновской трубки представляет собой
металлическую нить, которая нагревается током. Между ней и анодом
создается высокое напряжение. Исходящие от катода катодные
354
лучи (по существу, электроны) ускоряются электрическим полем
и попадают на анод. От него исходят рентгеновские лучи. Они
невидимы и обнаруживаются по своему действию на
фотографическую пластинку. Рентгеновские лучи представляют собой
электромагнитные колебания с малой длиной волн.
1896 г.
Французский физик Аири Беккерель (1852—1908) открывает
интересное свойство урановой руды — о г нее постоянно исходят
какие-то лучи. Несколько лет спустя это свойство было названо
Марией Склодовской-Кюри радиоактивностью.
1897 г.
Английский ученый Джозеф Джон Томсон (1856—1940),
изучая прохождение электрического тока через газ в трубке Крукса,
доказал существование частиц, которые он назвал «корпускулы».
В сущности, о существовании самой маленькой частицы с
электрическим зарядом — об «атомном электричестве» — упоминалось
еще в середине XVIII в. В одном из своих трактатов Франклин
(1750) утверждал, что «электрическая материя состоит из
чрезвычайно тонких частиц». В то же время Ломоносов сделал
подобное замечание, размышляя о природе теплоты.
1898 г.
Супруги Пьер Кюри (1859—1906) и Мария Склодовска-Кюри
(1867—1934), переработав несколько тонн урановой руды,
открыли новые элементы — полоний и радий. Позже Мария Кюри
установила, что эти элементы испускают три вида лучей. Это
открытие — еще одно неопровержимое подтверждение сложного
строения атома.
1900 г.
Немецкий физик Макс Планк (1858—1947), исследуя
тепловые излучения нагретыми твердыми телами, допустил
существование квант-энергии. По этой гипотезе, изменение энергии при
тепловом излучении — прием и отдача энергии — совершается не
беспрерывно, а частями, «атомами» или «квантами», порциями
энергии. Они кратны самому малому количеству энергии,
названному «элементарным квантом энергии». Эта гипотеза, созданная
для объяснения одного физического явления, оказалась очень
полезной для дальнейшего развития науки и получила название
квантовой теории. На ее основе развилась квантовая механика и
современная теория строения материи.
1901 г,
Уильям Томсон (лорд Кельвин) предлагает свою модель
строения атома, которая позднее была разработана Дж. Дж. Том-
соном. Согласно этой модели, атом состоит из положительно и
равномерно заряженной сферы, внутри которой вкраплены
отрицательные электрические заряды, размеры которых значительно
меньше размеров сферы.
1903—1904 гг.
Японский ученый Ханитаро Нагаока (1865—1950) тоже пред*
ложил модель строения атома, основанную на гипотезе, что атом
355
Состоит из положительного заряда, вокруг которого вращаются
электроны. Но эта идея не привлекла внимания ученых того
времени и была забыта. Позже к подобному представлению о
строении атома самостоятельным путем пришел Эрнст Резерфорд.
1905 г.
Немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879—1955) применил
гипотезу Планка о квантовании энергии — приеме и отдаче
энергии порциями в случае теплового излучения — к распространению
света. Согласно этой новой теории света, не только поглощение
и излучение света телами, но и его распространение носит
квантовый характер. На первый взгляд, этот факт не связан со
строением атома. Но именно он позже стал основой первой модели
атома, созданной Резерфордом и Бором.
1902—1913 гг.
Э. Резерфорд и Ф. Содди создают теорию распада
радиоактивных элементов, в результате которого образуются новые
элементы. В связи с этим открытием Резерфорд назвал химию
XX века «современной алхимией».
1903—1908 гг.
Эрнст Резерфорд (1871—1937) совместно с Г. Гейгером
(1882—1945) и Ф. Содди изучают а-частицы и точно измеряют
заряд одной а-частицы.
1911 г.
Сотрудники Резерфорда — Гейгер и Мардсен —
устанавливают, что при пропускании а-частиц через слой вещества
(например, через тонкий металлический лист) они рассеиваются,
причем из 8000 частиц в среднем только одна отклоняется под
углом от 90 до 180°. Такое большое отклонение Резерфорд
объяснял встречей а-частиц с какими-то другими, более тяжелыми и
положительно заряженными частицами атома, через которые
проходит сноп а-лучей Так Резерфорд пришел к мысли о
планетарной модели атома.
Эрнст Резерфорд открывает протон — элементарную частицу
с массой, практически равной массе атома водорода, и одним
положительным зарядом.
Чарльз Вильсон конструирует камеру, названную его
именем. С ее помощью можно убедиться в существовании отдельной
элементарной частицы — проследить ее путь. Камера Вильсона
заполнена газом, очищенным от пыли и насыщенным водяным
паром. Путем быстрого расширения газа в камере смесь
охлаждается, давление в камере резко понижается и образуется
перенасыщенный нар, который не конденсируется из-за отсутствия
центров конденсации. Если в эти условия попадает, например,
а-частица, то она ионизирует на своем пути газовые молекулы.
Каждый вновь образующийся ион становится центром
конденсации, тем зародышем, вокруг которого скапливаются молекулы
воды, образуя каплю Таким образом, путь каждой элементарной
356
частицы мгновенно заполняется капельками тумана и
становится видимым. Камера Вильсона — один из основных приборов,
используемых при исследовании ядерных реакций и космических
лучей.
1913 г.
На основе исследований а-лучей, проведенных Резерфордом
и его школой, и изучения рентгеновских спектров Генри Мозли
(1887—1915) стало ясно, что порядковый номер элемента в
периодической системе Менделеева совпадает с зарядом ядра, а
следовательно, и с числом электронов, которые вращаются
вокруг него.
АТОМ ВО ВЛАСТИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Экспериментальные исследования свидетельствовали, что
атомы — это микромир, который подчиняется законам,
неизвестным классической физике. Изучением этих законов стала
заниматься квантовая механика.
1911 г.
Фридрих Содди (1877—1956) вводит понятие «изотоп» (по-
гречески «одноместный»). Изотопами являются элементы с
различными атомными весами, которые занимают одно и то же
место в периодической системе.
1913 г.
Датский физик Нильс Бор (1885—1962) применил квантовую
теорию к модели атома Резерфорда и объяснил спектр атома
водорода. Чтобы устранить некоторое несоответствие между
результатами опытов и моделью Резерфорда, Бор допустил, что
электроны в атоме подчиняются законам классической физики.
Он допустил, что состояние электронов в атомах характеризуют
два следующих постулата: 1. Каждый электрон в атоме может
совершать устойчивое движение без излучения энергии. 2.
Каждый электрон в атоме может переходить из одного состояния
в другое, выделяя или поглощая при этом определенную
порцию энергии. Эти постулаты Бора основаны на гипотезе Планка
о квантовании энергии и на развитии этой теории Эйнштейном
в отношении света. Постулаты Бора в скором времени
подтвердились опытами.
Получено первое опытное доказательство планетарной
модели атома Бора. Согласно этой модели Бор вычислил энергию
и радиус орбиты электрона водородного атома. Результаты
совпали с данными спектра водородного атома и с эмпирической
формулой, выведенной швейцарским математиком И. Я. Бальме-
ром (1825—1898).
Дж. Дж. Томсон устанавливает, что газ неон является
смесью двух химически неразличимых видов атомов, — одного
с атомным весом 20, а другого — 22. Это вплотную подвело
ученых к открытию изотопов. Еще в 1906 г. были описаны свойства
элементов иония (торий-230) и тория (торий-232), которые
показывали различную радиоактивность, но одинаковые химические
357
свойства и оптические спектры. Следовательно, они должны были
бы считаться одним элементом. Но тогда па этот факт ученые
еще не обратили внимания.
1914 г.
Американский физик Джеймс Франк (1882—1964) и
немецкий Густав Герц (р. 1887) дают второе подтверждение боровской
планетарной модели атома в опытах с парами ртути,
непосредственно доказав существование определенных энергетических
состояний атома.
1915—1916 гг.
Арнольд Зоммерфельд (1868—1951) и В. Вильсон расширяют
представление Бора о строении водородного атома. Они
предлагают при вычислении орбиты атома водорода более общие
условия — допустить, что электрон двигается не по кругу, а по
эллипсовидным орбитам. Хотя именно для атома водорода это
предположение не дает никаких различий при вычислении возможной
энергии электрона, но при описании состояния более сложных
атомов оно играет огромную роль.
1921 г.
Нильс Бор, опираясь на периодический закон Менделеева и
используя известные спектральные закономерности, предлагает
конкретные модели для различных атомов. Этим он положил
начало теории строения сложных атомов. Бор впервые высказал
предположение о распределении электронов по электронным
слоям — два в первом электронном слое, восемь во втором и т. д.
Дмитрий Сергеевич Рождественский (1876—1940) объясняет
расщепление линий в спектре более сложных атомов, которое
появляется при определенных условиях, возможностью движения
электронов в атоме К подобной мысли пришел и Зоммерфельд
при объяснении разрывов на спектральных линиях.
Отто Штерн и Вальтер Герлах экспериментальным путем
доказывают правильность представлений Рождественского и Зом-
мерфельда при объяснении сложности атомного спектра.
Английский физик Вильям Астон (1877—1945) с помощью
сконструированного им прибора — масс-спектрографа — изучает
изотопы элементов. К 1927 г. он изучил изотопы более 50
элементов и установил, что элементы с двумя или несколькими
изотопами не являются исключением.
1923—1924 гг.
Луи де Бройль (род. 1892) развивает квантовую теорию в
другом направлении — он высказывает идею о волновой природе
электрона.
1925 г.
Гаудсмит и Уленбек предложили гипотезу о том, что
электроны вращаются вокруг своей воображаемой оси. Это
движение было названо спином. Отсюда появился и термин «спиновое
квантовое число»,
358
Вольфганг Паули (1900—1958) высказывает принцип
исключения, который гласит: в одном атоме не может быть более
одного электрона с четырьмя одинаковыми квантовыми числами.
Теперь понятно, почему электроны располагаются по точно
определенным электронным слоям.
Вернер Гейзенберг (род. 1902) пришел к выводу, что нужно
отказаться от модельного представления о строении атома и
процессах, которые совершаются в атоме. Он теоретически доказал,
что в мире микроявлений и микрочастиц имеют значение другие
закономерности, нежели в классической физике. Так Гейзенберг
заложил основы новой механики, применимой к движению частиц
в атоме.
1926 г.
Швейцарский физик Эрвин Шредингер (1887—1961)
развивает дальше квантовомеханические идеи Луи де Бройля.
На основании исследований Луи де Бройля, Эрвина Шредин-
гера, Вернера Гейзенберга, Макса Борна, Паскуаля Иордана,
Поля Дирака в физике утвердилась квантовая механика. В
сущности, было создано два различных метода квантовой механики,
авторы которых — Шредингер и Гейзенберг — разными путями
пришли к одинаковым выводам о строении атома.
Американский физик Джильберт Льюис (1875—1946) вводит
термин «фотон». Так, больше чем через два десятилетия после
возникновения учения о квантах световые кванты получили
наименование, которым пользуются и в наши дни.
1931 г.
Вольфганг Паули, изучая р-распад, указал на возможность
существования новой элементарной частицы — нейтрино. Само
название было введено через год Энрико Ферми.
1932 г.
Американский физик Карл Давид Андерсон (род. 1905)
открывает позитрон — элементарную частицу, характеризующуюся
единичным положительным зарядом. Еще в конце 20-х годов
Дмитрий Владимирович Скобельцын (род. 1892) открыл его след
в камере Вильсона, но не объяснил его. Теоретически
существование позитрона предсказано было еще в 1928 г. Полем
Дираком.
Английский ученый Джеймс Чедвик (род. 1891) открывает
элементарную частицу—нейтрон с массой, почти равной массе
протона, но не несущей электрического заряда.
Д. Д. Иваненко, Е. Н. Гапон (в СССР) и В. Гейзенберг (в
Германии) высказывают гипотезу о строении атомного ядра. По
их мнению, ядро каждого атома образовано из нейтронов и
протонов, которые непрерывно превращаются один в другой.
Превращаясь в нейтрон, протон выделяет при этом позитрон. И
наоборот, нейтрон, превращаясь в протон, отделяет электрон.
359
1934—1936 гг.
Д. Д. Иваненко вместе с И. Е. Таммом (1895—1973)
высказывают предположение, что мощные ядерные силы, которые
удерживают в необыкновенно малом объеме одноименно
заряженные частицы (протоны), возникают в результате своего рода не*
прерывного обмена между ядерными частицами другими элемент
тарными частицами.
АТОМ И АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ НА СЛУЖБЕ У ЧЕЛОВЕКА
На основе многих теоретических исследований появилась
возможность использовать огромную энергию, скрытую в ядре
атома. Радиоактивные изотопы элементов нашли широкое
применение в медицине, сельском хозяйстве, машиностроении и т. п.
1934 г.
Ирэн Жолио-Кюри (1897—1956) и Фредерик Жолио-Кюри
(1900—1958) открывают искусственную радиоактивность. Они
бомбардируют а-частицами ядра атомов алюминия, бора, магния
и других элементов, в результате чего эти химические элементы
становятся неустойчивыми и превращаются в другие элементы.
1938—1939 гг.
Отто Ган и Фридрих Штрасман открывают важный тип
ядерного распада — деление ядра урана при обстреле его нейтронами
на два приблизительно одинаковых новых ядра. Исследователи
установили, что при этом выделяется огромное количество
энергии.
1939 г.
Эрнст Орландо Лоуренс (род. 1901) из Калифорнийского
университета конструирует первый циклотрон для получения
протонов с высокой энергией. С этого момента открываются широкие
возможности для осуществления различных ядерных реакций —
так называют теперь превращения в атомах элементов,
осуществляющиеся при бомбардировке атома частицами с очень
большой энергией, например а-частицами, протонами или нейтро*
нами.
1940 г.
Е. Макмилан и П. Абельсон, а также независимо от них
К. Штарке (в Германии) получают искусственным путем первый
трансурановый элемент — нептуний с порядковым номером 93.
1942 г.
Энрико Ферми осуществляет в Чикаго пуск первого
атомного реактора, в котором проводится деление ядра урана-235 под
действием нейтронов.
1945 г.
Американский самолет сбросил атомные бомбы над
японскими городами Хиросима и Нагасаки. Человечество впервые
узнало об огромной силе ядерной энергии. Итог этого первого
360
проявления могущества атома был трагичен. Одна-единственная
атомная бомба превратила 250-тысячный город Хиросиму в груду
развалин и пепла. Официальные данные этой бомбардировки
гласят: 78 150 убитых, 13 983 пропавших без вести, 9428 тяжело
раненых, 27 997 легко раненых. Но страшная лучевая болезнь
отняла жизнь еще у десятков тысяч граждан Хиросимы,
переживших ужас атомной бомбардировки и, казалось, в первый момент
вышедших из нее невредимыми.
1954 г.
В СССР пущена в эксплуатацию первая в мире атомная
электростанция мощностью 5000 киловатт.
1959 г.
Вступил в эксплуатацию первый в мире атомный ледоход
«Ленин».
1961 г.
Спущен на воду первый атомный торгово-пассажирский ко»
рабль «Саванно».
В Софии построен атомный реактор. В нем производят
некоторые радиоактивные изотопы и проводят научные
исследования *.
ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О КАТАЛИЗЕ
ЭМПИРИЧЕСКИЙ ПЕРИОД
Люди используют много каталитических процессов с чисто
практической целью, не интересуясь их сущностью и причинами,
их вызывающими. Поиски подходящих катализаторов для
различных химических реакций ведутся интуитивным путем — ме*
тодом угадывания.
До новой эры
Многие каталитические процессы, идущие под воздействием
ферментов и дрожжей, были известны и использовались людьми
еще в древние времена. Таковы получение пива, брожение
винограда, приготовление теста и т. д. Об этом говорят многие
археологические находки.
VIII в.
Имеются сведения, что в это время арабы знали способ
получения эфира из спирта. Этот процесс практически может
протекать только под действием катализатора.
* Более детальную хронологию учения о строении атома
можно найти в книге: Б. М. Кедров, Д. Н. Трифонов. Закон
периодичности и химические элементы. Открытия и хронология М.,
«Наука», 1969. — Прим. ред*
361
XV в.
В лабораториях алхимиков в Западной Европе получают
эфир, используя прибавку — катализатор — серную кислоту или
рятихлористую сурьму.
1660 г.
Французские химики Никола Лефевр (1620—1674) и Никола
Лемерн (1645—1715) видоизменяют способ получения серной
кислоты. Они предложили сжигать серу во влажном воздухе в
присутствии небольшого количества селитры. Селитра играла роль
катализатора. Так эти химики стали предшественниками нитроз-
ного метода получения серной кислоты, развитого и
усовершенствованного значительно позже.
1669 г.
Иоганн Иоахим Бехер (1635—1682) получает этилен из
спирта, пропуская его пары через нагретую глиняную трубку.
Фактически материал сосуда играл роль катализатора, а сам процесс
был гетерогенным катализом. Позже, в 1795 г., группа
голландских химиков (Дейман, Ван-Трооствик, Бонд и Лауренбург)
установила, что при получении этилена важную роль играет
материал, из которого сделана трубка.
1777—1782 гг.
Независимо один от другого, Арвидсон и Бухольц, получая
этиловый эфир из муравьиной кислоты (при взаимодействии
этилового спирта и муравьиной кислоты), вводили в реакционную
смесь незначительное количество серной кислоты. С современной
точки зрения, серная кислота играет здесь роль катализатора, а
процесс является гомогенным катализом.
1782 г.
Карл Вильгельм Шееле (1742—1786) приходит к выводу, что
взаимодействие между органическими кислотами и спиртами
(этерификация) возможно только в присутствии некоторых
других веществ, например минеральных кислот.
СОЗДАНИЕ ПЕРВЫХ ТЕОРИЙ
В литературе начинают появляться объяснения отдельных
каталитических реакций. Постепенно, с накоплением опытных
данных, эти объяснения перерастают в первые гипотезы,
пытающиеся объяснить сущность каталитического процесса. Вначале
это были физические теории, в основе которых лежали
наблюдения за каталитическими процессами на поверхности металлов.
На эти воззрения оказали влияние электрохимическая теория
Еерцелиуса, а позже — адсорбционная теория, разработанная
Ленгмюром, Тейлором и др. Долгое время химические концепции
развивались параллельно и независимо от физических теорий.
Очень разнообразные по деталям химические гипотезы
объединялись идеей перехода каталитической реакции через
промежуточные, неустойчивые, но определенные соединения реагирующих
веществ с катализатором и последующим восстановлением
катализатора.
362
1806 г.
Никола Клеман (1779—1842) объясняет процесс получения
серной кислоты. Согласно его теории, азотная кисло га, которая
образуется из селитры, является только «орудием полного
окисления серы». Исторически — это первое объяснение
каталитической реакции (хотя автор не воспринимал эту реакцию как
каталитическую), первая попытка представить типичную
гомогенную каталитическую реакцию как процесс, протекающий с
образованием промежуточного соединения. Этот момент принимают за
начало современного учения о катализе, а конкретнее — о
гомогенном катализе.
1809 г.
Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764—1833) начинает
изучать гидролиз крахмала у ржи, пшеницы, проса, гороха,
картофеля и др. под действием кислот — серной, соляной,
фосфорной, азотной, лимонной, уксусной и др.
1811 г.
На основе своих исследований Кирхгоф разрабатывает
технологию получения сахара из картофельного крахмала под
действием серной кислоты. Полученный таким способом сахар он
продемонстрировал на заседании Академии наук в Петербурге.
1812 г.
Кирхгоф опубликовал свои теоретические предположения о
гидролизе крахмала. Он доказал, что вещество, которое
содействует протеканию гидролиза, — серная кислота — после
получения сахара остается неизрасходованным. Это одна из
особенностей веществ, которые в настоящее время рассматриваются как
катализаторы. Кирхгоф сравнил влияние на ход реакции кислоты
с влиянием температуры, назвав оба фактора «активаторами
реакции».
Открытие Кирхгофом способа получения сахара гидролизом
крахмала является первым примером осуществления
биохимического процесса — превращения крахмала в сахар в клетках
растений — в химической лаборатории.
1813 г.
Луи Жак Тенар (1777—1857) разлагает аммиак с помощью
различных металлов — железа, меди, серебра, золота, платины
и др. Он устанавливает, что сильнее всего на реакцию влияет
железо, а слабее — платина. Тенар пытался объяснить
наблюдаемое явление. Он считал, что металл играет чисто механическую
роль в процессе, что металлическая стружка — переносчик тепла,
который практически определяет скорость процесса.
1817 г.
Гемфри Дэви (1778—1829) и его брат Джон Дэви (1790—
1868) случайно наталкиваются на сильно выраженное
каталитическое действие платины Гемфри Дэви заметил это во время
опытов по усовершенствованию своей безопасной лампы для
шахтеров. Он установил, что в присутствии метана платиновая
проволочка лампы начинает светиться необыкновенно ярко и срок
363
ее действия становится продолжительнее. Джон Дэви открыл, что
если спирт в присутствии воздуха привести в контакт с
платиновой чернью (Дэви рассматривал ее как соединение платины), то
спирт самовоспламеняется и развивает такую температуру, что
платиновая чернь начинает светиться. С сегодняшней точки
зрения, оба случая объясняются каталитическим окислением
органических веществ под действием платиновой черни.
1818 г.
Тенар открыл, что активность веществ, которые ускоряют
некоторые реакции, т. е. активность катализаторов, зависит от
степени их диспергирования. Он заметил это, когда исследовал
разложение перекиси водорода на различных металлах и
металлических окислах В этом же году Тенар установил, что платиновая
чернь не является соединением платины, как считал Дэви, а
представляет собой просто сильно раздробленную («губчатую»)
платину. Очень большая поверхность и придает ей свойства сильного
катализатора.
1831 г.
Английский ученый Филлипс патентует окисление двуокиси
серы в трехокись с помощью платины. Гетерогенное
каталитическое окисление двуокиси серы лежит в основе одного из
технологических методов получения серной кислоты.
1834 г.
Эйльгард Митчерлих (1794—1863) делает первое обобщение
в области катализа. Все известные в то время каталитические
реакции он включает в одну группу, независимо от химизма
процесса. В нее вошли, например, химические реакции на металлах,
образование и разложение эфира, разложение спирта на этилен
и воду, гидролиз крахмала и т. д. При этом Митчерлих первый
дал и общее название для каталитических реакций — контактные
реакции. Это название сохранилось и до наших дней для гетеро-
геннокаталитических процессов.
1835 г.
Ионе Якоб Берцелиус (1779—1848) дает самое полное для
своего времени определение катализа как явления, общего для
всех процессов, которые совершаются с помощью специальных
веществ. Берцелиус полностью разделял обобщение всех
каталитических процессов, сделанное Митчерлихом, но отвергал данное
последним название. Вместо контактных, он назвал эти процессы
каталитическими, а само явление — катализом. Берцелиус считал,
что уровень научных знаний того времени не позволяет выяснить
причины каталитических реакций. Он называл эти причины
«каталитической силой», а распадение вещества под воздействием этой
силы — катализом. Согласно Берцелиусу, «эта сила свойственна
как неорганической, так и органической природе, но, к
сожалению, ее сущность пока не ясна ученым». Своим учением о
катализе, объединявшим процессы живой и неживой природы,
Берцелиус косвенно наносил удар по теории «жизненной силы»,
которая за 7 лет до этого получила первый отпор знаменитыми
опытами Фридриха Велера (1800—1882),
364
1839 г.
Юстус Либих (1803--1873) развивает свои теоретические
представления о каталитическом процессе. Поддерживая идеи
Митчерлиха и Берцелиуса об обобщении всех каталитических
процессов, Либих критикует Берцелиуса за то, что он считает
невозможным объяснение каталитических процессов. Либих создает
первую универсальную теорию катализа. Он впервые обратил
внимание на то, что в результате реакции, ускоряя ее,
катализатор не претерпевает никаких изменений. Либих рассчитывал
найти действительные причины этих процессов в тесных связях,
существующих между катализаторами и самими реагирующими
веществами. Опыты Либиха оказались очень удачными. Причины
катализа, указанные Либихом, по существу, приняты и в
современной науке: это — постепенное ослабление связей в молекулах
реагирующих веществ в результате их контакта с катализатором.
1870 г.
В литературе появляются первые попытки создания научно
аргументированных представлений о механизме реакций, которые
протекают с участием катализатора. Это стало возможным после
развития структурной теории строения химических соединений.
Первые систематические исследования каталитических процессов
в этом направлении были проведены Александром
Михайловичем Бутлеровым (1828—1886)—создателем структурной теории,
1870—1890 гг.
Катализ трактовали главным образом с помощью физических
теорий. Кирхгоф (1812) уподоблял каталитическое действие
серной кислоты при гидролизе крахмала воздействию теплоты.
Каталитические реакции, наблюдавшиеся на поверхности платины,
объяснялись учеными также почти исключительно
вмешательством физических факторов. Швайгер упоминал о зависимости
активности катализатора от свойств его поверхности, которая
«состоит из электрически заряженных металлических игл». Дэви
считал, что платина играет роль посредника в передаче тепла.
Последователи Берцелиуса предполагали, что роль металла
связана не с переносом тепла или света, а с влиянием какой-то
«электрической жидкости». Вант-Гофф (1852—1911) в 1898 г.
сравнивал процесс гетерогенного катализа с действием высокого
давления.
1894 г.
Вильгельм Оствальд (1853—1932) дает следующее
определение катализаторам: «Катализатор — любое вещество, которое, не
входя в конечный продукт химической реакции, изменяет ее
скорость». Катализ, по мнению Оствальда, — это метод ускорения
естественно протекающих реакций путем внесения в реакционную
среду различных веществ — катализаторов. С небольшими
изменениями это определение катализа сохранилось до наших дней.
1897-1903 гг.
ПольСабатье (1854—1941) и В. Н. Ипатьев (1867—1952)
почти одновременно и независимо друг от друга разрабатывали ге-
терогеннокаталитические реакции в органической химии. Были
365
обнаружены многочисленные факты избирательности
катализаторов. Это свойство катализаторов привело ученых к разработке
химической теории катализа. Оба автора допускали, что в
процессе каталитической реакции образуются определенные
неустойчивые промежуточные соединения катализатора с реагирующими
веществами. Стало ясно, что нельзя объяснить сущность
гетерогенного катализа как только физическое явление.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ КАТАЛИЗА
1916 г.
Лев Владимирович Писаржевский (1874—1938) сделал
первые шаги в электронной теории катализа. Он предполагал, что
горячая поверхность твердого катализатора ускоряет реакцию не
только за счет повышения температуры реакционной смеси, но и
из-за отделения от поверхности катализатора электрически
заряженных частиц. Писаржевский пришел к заключению, что
действие металла-катализатора сводится к адсорбции и
механическим ударам электронов катализатора по адсорбированным
молекулам реагирующих веществ.
1922—1925 гг.
Д. Бренстед и Т. Лоури разрабатывают общую теорию
катализа кислотами и основаниями. Эта теория опирается па
теорию электролитической диссоциации. Бренстед и Лоури
установили зависимость между силой кислоты или основания и их
каталитической активностью. Эта теория объясняет широкий круг
гомогенных и гетерогенных каталитических реакций, катализ
газообразных, жидких и твердых кислот и оснований. Выяснилось,
что ускоряющее действие на реакцию оказывает не только
введение самого катализатора, но также и растворитель, и некоторые
примеси, внесенные в реакционную среду и др.
1929 г.
Появляется первое сообщение о так называемой мульти-
плетной теории катализа, созданной А. А. Баландиным. Основы
этой теории заложены еще в работах Зелинского, Менделеева,
Рашига и др. Согласно мультиплетной теории, катализ
представляет собой комплекс элементарных физических и химических
процессов (хемосорбция и перераспределение химических
связей). В молекуле реагируют только те атомы, которые
соприкасаются друг с другом и с катализатором. Активность и
избирательность действия катализатора хорошо объясняется наличием
мультиплетов — активных центров, которые представляют собой
группировки атомов на поверхности катализатора. Протекание
каталитического процесса возможно при геометрическом и
энергетическом соответствии между реагирующими молекулами и
мультиплетами.
1930-1935 гг.
Создаются основы теории активированного комплекса. Эта
теория развита в работах Эйринга, Полляни и Эванса. Она
рассматривает взаимодействие веществ как стремление к самому
выгодному энергетическому состоянию. При этом молекулы прохо-
366
дят через переходное состояние, когда первоначальные связи
между атомами ослабевают и возникают новые связи. По этой
причине в переходном состоянии реагирующие молекулы и
катализатор представляют собой один активный комплекс, который
потом превращается в конечный продукт реакции и освободившийся
катализатор Эта теория в настоящее время лежит в основе кван-
товомеханического взгляда на кинетику химических процессов.
Предваряющие ее положения высказаны были еще Кекуле
(1858 г.), Менделеевым (1886 г.) и др.
1938—1940 гг.
Вагнер и Гауф впервые отметили связь между
полупроводниками и каталитическими свойствами некоторых катализаторов.
Постепенно возникла теория катализаторов полупроводникового
вида. К концу 40-х годов были разработаны основы современной
электронной теории катализа. Согласно этой теории,
электронная структура твердого тела находится в тесной связи с его
каталитической активностью. Создателями этой теории являются
С. С. Рогинский, Ф. Ф. Волькенштейн, Боресков и др.
1939 г.
Кобозев предлагает теорию активных ансамблей. По этой
теории, активные центры катализатора являются группами
атомов — ансамблями с аморфной структурой, расположенными в
определенных местах поверхности катализатора. Сама
кристаллическая фаза каталитически неактивна и выполняет роль
носителя закрепленных на поверхности активных центров.
Сейчас можно сказать, что почти все химические
взаимодействия в лабораторных и заводских условиях, а также
биохимические процессы являются каталитическими. Поэтому над
механизмом катализа, природой катализаторов, подбором наиболее
экономичных и эффективных катализаторов и т. д. ведется
огромная исследовательская работа во всем мире *.
ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О ХИМИЧЕСКОЙ
РЕАКЦИИ
Простые обратимые реакции и химическое равновесие
XVII в.
Роберт Бойль (1627—1691) и Георг Шталь (1659—1734)
исследуют скорость некоторых реакций замещения. Истинной
целью этих исследований было не накопление данных по
кинетике этих реакций, подобная задача в то время не стояла.
Путем определения скорости реакции они хотели количественно
охарактеризовать химическое сродство, способность данного
вещества вступать в химическое взаимодействие с другими
веществами. Независимо от цели, это были первые исследования в области
кинетики.
* Подробнее об этом можно прочитать в книге: В. И.
Кузнецов. Развитие учения о катализе. М., «Наука», 1964. — Прим. ред.
367
1718 г.
Французский химик Этьен Франсуа Жоффруа (1672—1731)
представил в Парижскую Академию Наук обширный материал
В виде 16 таблиц, которые, по словам Н. А. Меншуткина,
«охватывали все известные для того времени факты». В этих
таблицах вещества располагались по вертикали в зависимости от их
химического сродства по отношению к веществам, стоящим по
горизонтали в головке таблицы. Таблицы имели качественный
характер и не учитывали влияния условий проведения данной
реакции на ее скорость.
1777 г.
Карл Фридрих Венцель (1740—1793) с целью дать
количественные показатели химического сродства в своей работе «Учение
о сродстве тел» излагает результаты изучения скорости
растворения металлов в кислоте. Венцель обнаружил, что «сродство тел
к общему растворителю обратно пропорционально времени,
которое необходимо на их растворение».
1803 г.
Клод Луи Бертолле (1748—1822), изучая процессы,
связанные с производством селитры и солеобразованием в озерах,
пришел к выводу, что направление химической реакции зависит от
массы реагирующих веществ, их физических и химических свойств
и условий взаимодействия. В своей книге «Опыт химической
статики» Бертолле выдвинул принципиально новое представление:
химический процесс представляет собой две реакции,
протекающие одновременно в двух противоположных направлениях.
1842 г.
Немецкий химик Генрих Розе (1795—1864), в подкрепление
представлений Бертолле, пришел к выводу, что «недостающее
химическое сродство данного вещества может быть дополнено
путем увеличения его количества, и наоборот». Этот вывод Розе
вплотную приближался к принципу подвижного равновесия,
который позже был сформулирован Ле Шателье.
1850 г.
Людвиг Фердинанд Вильгельми (1812—1864) изучает
взаимодействие обыкновенного сахара и воды в присутствии кислоты,
когда сахар распадается на глюкозу и сахарозу. Эта реакция,
известная как инверсия сахара, стала классической при изучении
скорости химического процесса (о ней до 1906 г. было написано
около 140 научных статей). Вильгельми изучил скорость
инверсии сахара и дал впервые математическое выражение
зависимости скорости процесса от концентрации сахара и температуры.
Таким образом, он первым заговорил о скорости химической
реакции, т. е. о химической кинетике.
1857 г.
Выходит из печати работа Анри Сент-Клер Девилля (1818—
1881) с данными о разложении различных солей. Для этого вида
реакций Девилль ввел термин «термическая диссоциация»^ По
368
аналогии с ней, Сванте Аррениус назвал разложение солей на
ионы в водном растворе или в другом растворителе
электролитической диссоциацией.
1859—1865 гг.
Николай Николаевич Бекетов (1827—1911) изучает влияние
давления различных газов на скорость реакций, в которых они
участвуют.
1862—1863 гг.
Пьер Эжен Марслен Бертло (1827—1907) и Пеан де Сен-
Жиль (1832—1863) исследуют обратимость реакции разложения
сложных эфиров. Вместе с инверсией сахара этерификация
является второй важной реакцией, изучение которой легло в
основу учения о химической кинетике.
1867 г.
Норвежский математик Като Максимилиан Гульдберг (1836—
1902) и Петер Вааге (1833—1900) дают первую четкую
математическую формулировку закона действия масс — основного
закона химической кинетики:
kCaCb ... =k'c'aC'b
где Са, Съ и т. д. — концентрации, установившиеся при
достижении химического равновесия; к и к' — константы. Впрочем,
Гульдберг и Вааге количество вещества, которое содержится в 1 см3,
называют «активной», или «действующей», массой. Понятие о
концентрации введено позже Вант-Гоффом.
1867 г.
Немецкий ученый Пфаундлер на основе вычисления
количества соударений между молекулами применил кинетическую
теорию газов и пришел к тем же результатам, что Гульдберг и
Вааге.
1874—1878 гг.
Американский ученый Дж. Уилард Гиббс (1839—1903)
предлагает для измерения химического сродства учитывать
максимальную полезную работу, которая возможна при обратимом
протекании химической реакции. Тот факт, что химическая реакция
стремится достичь термодинамического равновесия, в котором
вещества реакционной системы не изменяют свою концентрацию, и
привели Гиббса к заключению, что действительной мерой
сродства является максимально полезная работа.
1884 г.
Якоб Гендрик Вант-Гофф (1852—1911) в своей работе
«Очерки по химической динамике» подробно рассматривает химические
реакции с точки зрения их скорости и создает первую
кинетическую классификацию, которая используется и в наши дни. Вант-
Гофф ввел термины «моно-, би-, три- и многомолекулярные
реакции»— в зависимости от числа молекул, участвующих во
взаимодействии. Он установил, что трех- и многомолекулярных
реакций практически нет и отсюда сделал вывод о сложности
механизма реакции. Вант-Гофф ввел константу скорости к в закон
369
действия масс, которая, в сущности, выражает скорость реакций
между веществами при концентрации, равной единице.
Вант-Гофф дал также математическое выражение
зависимости между константой скорости и температурой. Позже это
уравнение Вант-Гоффа было усовершенствовано Аррениусом (см.
ниже).
1885 г.
Анри Ле Шателье (1850—1936) изучает влияние давления на
химическое равновесие при некоторых реакциях. Он установил,
что повышение давления смещает равновесие в сторону
уменьшения объема системы, и наоборот. На основе этого наблюдения
он сформулировал принцип подвижного равновесия. Подобный
вывод о влиянии температуры на равновесие сделал Вант-Гофф.
1886 г.
Вант-Гофф, независимо от Гиббса, предлагает мерой
химического сродства максимальную полезную работу реакции, которая
получается при обратимом ходе реакции, и создает способ
вычисления сродства.
1887 г.
Николай Александрович Меншуткин (1842—1907)
количественно объясняет влияние растворителя на скорость некоторых
реакций. Многие его работы были посвящены связи между
строением реагирующих веществ и скоростью реакции, в которой они
участвуют.
1889 г.
Сванте Аррениус (1859—1927) усовершенствует зависимость
между константой скорости и температурой, открытую Вант-Гоф-
фом. Эта зависимость сейчас известна как уравнение Арре-
ниуса. Согласно его представлениям, в химическую реакцию
вступают только так называемые активные молекулы, т. е. молекулы
с некоторым излишком энергии — энергией активации.
Эмпирическую формулу, подобную уравнению Аррениуса, для малых
температурных интервалов дал еще Вильгельми в 1850 г.
СЛОЖНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
1806 г.
Клеман и Дезорм приходят к выводу об образовании
промежуточных соединений при окислении двуокиси серы в
присутствии окиси азота.
1812 г.
Гемфри Дэви предлагает схему, по которой протекает
процесс окисления двуокиси серы в присутствии окиси азота, также
указывая на образование ряда промежуточных продуктов.
1830 г.
Шарль Гаспар де ла Рив (1770—1834) натолкнулся на
явление начального ускорения при растворении металлов в кислоте.
370
1844 г.
Немецкий химик Христиан Фридрих Шенбейн (1799—1868)
изучает действие активных атомов кислорода, полученного как
промежуточный продукт. В 1855 г. он создает теорию
окислительных процессов, в которой рассматривает промежуточное
действие активного кислорода.
1845 г.
Американец Дрепер наблюдает ускорение реакции между
водородом и хлором под влиянием света.
1851 г.
Немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811—1899)
подробно изучил взаимодействие водорода и хлора и ввел для
этого типа ускоряющихся реакций термин «химическая
индукция».
1857 г.
Адольф Байер (1835—1917) изучает одну из первых
автокаталитических реакций — взаимодействие брома с молочной
кислотой.
1884 г.
Вапт-Гофф наблюдает несоответствие между математической
зависимостью для скоростей простых реакций и опытными
результатами при исследовании некоторых из трех, четырех- и
многомолекулярных реакций. Это несоответствие тоже являлось
результатом сложности механизма реакции. Но он объяснил эти
отклонения влиянием некоторых побочных явлений.
1887 г.
Дмитрий Петрович Коновалов (1856—1929) дал
математическую формулу для вычисления скорости автокаталитических
реакций.
1894 г.
Владимир Александрович Кистяковский создал первую
кинетическую классификацию сложных химических реакций. Эта
классификация в общих чертах используется и сейчас. Уже точно
установлено, чго большинство химических реакций являются
сложными и химические уравнения выражают процесс только
суммарно, не давая представления о его ходе и истинном
механизме взаимодействия. В настоящее время при изучении
кинетики любой химической реакции используют конкретные
уравнения.
ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ
1680 г.
Роберт Бойль замечает, что свечение фосфора усиливается
при уменьшении давления воздуха. В настоящее время известно,
что эта особенность характеризует цепную реакцию, которая
может протекать только при давлении ниже какого-то верхнего
предела и выше какого-то нижнего предела.
371
1788 г.
Французский химик Антуан Франсуа Фуркруа (1755—1808)
замечает, что на воздухе фосфор светится ярче, чем в чистом
кислороде. Это явление тоже объясняется наличием верхнего и
нижнего пределов давления при цепных реакциях.
1805 г.
Александр фон Гумбольдт (1769—1859) и Гей-Люссак
(1778—1850) изучают воспламенение смеси водорода и
кислорода. Они приходят к выводу, что при достаточном излишке
одного из газов воспламенения не происходит.
Все описанные выше и многие другие явления только
регистрировались в научной литературе, но объяснения им ученые
в XIX веке не могли дать.
1913 г.
Немецкий химик Макс Боденштейн (1871—1942) исследовал
22 фотохимических реакции и впервые развил представление о
цепном характере протекания этих реакций.
1918 г.
Вальтер Нернст (1864—1941) теоретически объяснил
механизм протекания реакции между водородом и хлором.
1926 г.
Ю, Б. Харитон и 3. Ф. Вальт положили начало современному
развитию кинетики цепных реакций.
1928 г.
Николай Николаевич Семенов (род. 1896) развивает теорию
цепного воспламенения.
1956 г.
Н. Н. Семенов и Гиншельвуд становятся лауреатами
Нобелевской премии по химии за изучение механизма цепных реакций.
Благодаря работе главным образом этих ученых и школ,
созданных ими, цепные реакции изучены довольно подробно. Они
имеют большое практическое значение: технологические процессы
в производстве каучука, полимеризация и получение ряда
высокомолекулярных соединений, жидкого топлива и др., по существу,
являются цепными реакциями.
Изучение химических реакций в настоящее время сводится
к изучению их механизма и кинетики *,
* Дополнительные данные по хронологии важнейших
событий в области химической кинетики можно найти в книге:
10. И. Соловьев. Очерки по истории физической химии. М,
«Наука», 1964. — Прим. ред.
СОДЕРЖАНИЕ
К советскому читателю 5
Предисловие редактора перевода 8
Записки одной1 капли (Калоян Манолов) 11
Необыкновенное путешествие 13
Как была обнаружена диффузия 18
Что такое концентрация 22
Менделеевская теория растворов 28
О насыщенных растворах и удивительном мире
кристаллов 34
Газы тоже могут растворяться 38
Путь к новой теории растворов 43
Ботаник, открывший осмос 51
Вант-Гофф, осмос и электролиты 57
Растворы объясняют тайны электричества 64
Сванте Аррениус доказывает, что электролиты — не
исключение 72
Среди электролитов есть сильные и слабые 80
О начале одной науки 86
Свет вмешивается в изучение коллоидных растворов . 94
Раскрываются некоторые загадки коллоидов .... 99
Центробежные силы помогают получать коллоидные
растворы 110
Там, где есть жизнь, есть коллоидный раствор . . . .113
В школе атомов (Добри Назаров) 117
Урок анатомии . . . . 117
Кабинет анатомии в школе атомов 118
Частицы, из которых построены атомы 120
Сходство с Солнечной системой только кажущееся . . 127
Облако — электрон 133
Энергия электрона 137
Ученые придумали шифр 140
Откуда известно все то, о чем говорилось до этого . . 161
Сердце атома — ядро 164
Атомный вес элемента не может быть целым числом . 139
Почему протоны не отталкиваются? 173
Урок дипломатии (Добри Лазарев) 177
Атомы изучают дипломатию 177
Все наши конфликты возникают из-за электронов . . 178
Энергия ионизации ... 180
Химическая связь 182
373
Атомы становятся ионами 184
Мой электрон будет у меня на глазах 185
Полярная связь и ... право сильного 187
Теперь обобщим 189
И химические связи имеют ориентацию 196
Типы взаимодействия между атомами очень
разнообразны 204
Вопрос... о строении твердого тела 205
Металлическая решетка — самая интересная ...» 214
Бесконечный спор (Добри Лазаров) . . 225
Слышали ли вы о семействе Адсорбции? 226
Двое нуждающихся во вмешательстве Адсорбции . . . 228
Кажется, все спит, а на самом деле 232
Связь адсорбента с адсорбатом .... .... 234
Какую пользу приносит людям Адсорбция? .... 236
Хроматография 241
Молекулярные сита 248
И каталитические процессы не могут без Адсорбции . 249
Могущественный химик — катализатор (Иван Лилов) . . . 253
День химического волшебства 253
Волшебство раскрыто 260
История катализа 262
Модель химической реакции 269
Без катализатора 275
Как действует катализатор 283
Ученые нашли другое объяснение 288
Электронные представления о катализе 296
Катализаторы повсюду 301
Без ферментов невозможна жизнь 306
Тайны химической реакции (Иван Лилов) . 313
Незадачливые экспериментаторы 313
Что показывает серьезный опыт 321
Какое влияние на скорость реакции оказывает
температура и другие условия 333
Рекомендуемая литература 346
Некоторые даты из истории химии (Ева Лазарова) .... 347
Калоян Манолов, Добри Лазарев,
Иван Лилов
У ХИМИИ СВОИ ЗАКОНЫ
Редактор С. Л. Томарченко
Технический редактор Е. М. Соболева
Корректор Г. А. Рябинина
Внешнее оформление художника Л. А. Яценко
ИБ № 673
Сдано в наб. 17/Х 1974 г. Подп. в печ с матриц 2I/II 1977 г.
Формат бумаги 84Х1087з' Бумага типогр. № 1 Усл. печ. л. 19 74. Уч.*
изд. л. 19,37. Тираж 50 ООЭ экз. Заказ 520 Изд. № 1468. Цена 98 коп.
Издательство «Химия», Ленинградское отделение. 191186,
Ленинград, Д-186 Невский пр., 28.
Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская типография
№ 2 имени Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при
Государственном комитете Совета Министров СССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли 198052, Ленинград,
Л-52, Измайловский проспект, 29
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«ХИМИЯ»
ИМЕЕТСЯ В ПРОДАЖЕ
Химия. Справочное руководство. ГДР, 1972.
Перевод с немецкого. 576 с, 2 р. 98 к.
Справочник содержит важнейшие сведения по главным
разделам химии. Благодаря своеобразному оформлению и
расположению материала он вмещает очень большой объем информации.
Рассматриваются свойства элементов, способы получения и
свойства важнейших соединений. Специальные разделы
посвящены строению атомов и молекул, агрегатному состоянию
веществ, химической термодинамике и кинетике, электрохимии,
коллоидной химии, процессам и аппаратам химической технологии.
Преподавателю эта книга поможет подготовиться к занятиям,
а для учащегося она послужит своего рода конспектом, особенно
при подготовке к экзаменам
Макашев Ю. А., Замяткина В. М. Соединения
в квадратных скобках (серия «Вопросы современной
химии»). 216 с, 30 к.
Комплексные соединения характерны для всей
неорганической и органической химии. Они встречаются в газах, жидкостях
й твердых телах, в организмах животных и растений. Особая
роль комплексов — в химической технологии.
В книге кратко изложена история возникновения наших^зна-
Ний о комплексах и координации, о «простых» и «сложных»
соединениях, о валентности. Удивительные особенности комплексов,
условия их существования и многогранного использования
описаны в этой книге, изобилующей иллюстрациями и примерами.
Брошюра интересна и полезна преподавателям, студентам и
учащимся старших классов, а также всем, кто желает расширить
свои знания по химии.
Книги можно приобрести в местных книжных ма+
газинах, распространяющих научно-техническую
литературу. В случае отсутствия книг в магазинах
заказы можно направлять по адресам: 198147,
Ленинград, Московский пр., 54, отдел «Книга — почтой»
магазина № 21 «Книги по химии» или 103050,
Москва, ул. Медведева, 1, отдел «Книга — почтой»
магазина № 8 «Техническая книга». Заказ будет
выслан наложенным платежом.
98 коп.