Текст книги "Удивительная химия"

Перемешивание и термостатирование

Когда из бюретки раствор реагента добавляют к раствору в колбочке или химическом стакане, необходимо хорошее перемешивание. Перемешивание нужно и во многих других случаях. Конечно, можно встряхивать колбочку вручную, особенно если она маленькая, а жидкости в ней немного. Но в любом случае проще и приятнее, если перемешивание происходит автоматически. Раньше для этого был один способ – над колбой или стаканом с раствором укрепляли на штативе специальный моторчик, который вращал длинную металлическую или стеклянную палочку, конец которой был опущен в раствор. Для лучшего перемешивания конец стеклянной палочки нетрудно было причудливо изогнуть с помощью горелки. А на металлическую палочку можно надеть какую-нибудь крыльчатку. Регулируя напряжение на моторчике, можно изменять скорость его вращения, чтобы жидкость хорошо перемешивалась и в то же время не выплескивалась из стакана (рис. 2.9, а).

^{Рис. 2.9. Приспособление для перемешивания с моторчиком (а), перемешивание с помощью магнитной мешалки (б)}

Указанный способ перемешивания не всегда удобен, особенно если в раствор надо добавлять реагенты или измерять в нем температуру. В таких случаях можно использовать магнитные мешалки. В небольшом ящичке с немагнитной крышкой находится моторчик, который вращает сильный магнит. Скорость его вращения можно регулировать, меняя напряжение на моторчике с помощью рукоятки на передней панели ящичка. Если в центр ящика, прямо над невидимым магнитом, поставить стакан или колбу с раствором, а на дно положить маленький магнит, запаянный в стеклянную или пластмассовую трубочку (это и предохраняет раствор от загрязнения, и уменьшает трение о дно стакана), то, вращая медленно рукоятку прибора, можно получить в жидкости настоящий «торнадо» – такой, какой виден на рис 2.9, б. Часто магнитные мешалки снабжены регулируемым подогревом, так что можно одновременно перемешивать раствор и нагревать его до нужной температуры.

^{Рис. 2.10. Этот термостат позволяет поддерживать температуру от -60 до +300 °C с высокой точностью, а в диапозоне от +15 до +80 °C – с точностью ±0,02 °C}

А если нужно выдерживать реакционную смесь при строго постоянной температуре в течение длительного времени? Такая проблема возникает, например, при измерении скорости реакции, поскольку скорость может очень сильно зависеть от температуры. В таких случаях используют термостат. Название этого прибора говорит само за себя: оно происходит от греческих слов «термос» – «теплый» (или «терме» – «жар») и «статос» – «стоящий». Термостат – уже довольно сложный прибор (рис. 2.10). Его основа– большой бак, обычно литров на 10. В него заливается дистиллированная вода, которая интенсивно перемешивается мешалкой с мотором (цилиндр этого мотора виден в правой части). Внутри бака расположен электрический нагреватель, при включении которого вода начинает нагреваться; ее температура контролируется обычным лабораторным термометром (он расположен в задней части слева). Чтобы прекратить нагрев при достижении определенной, заранее установленной температуры, термостат снабжен так называемым контактным термометром (он расположен в самом центре и принцип его действия будет описан в рассказе о температуре и термометрах). Назначение контактного термометра – выключить (с помощью расположенного за ним реле) нагреватель, как только температура поднимется до нужной, и снова включить нагреватель, если температура чуть-чуть понизится. А температура в приборе понижается не столько от охлаждения его воздухом (этот процесс очень медленный), сколько от охлаждения обычной водопроводной водой, протекающей через металлический змеевик (он находится внутри бака и потому не виден). Ввод воды и ее вывод осуществляется двумя резиновыми шлангами, которые присоединяются к двум коротким металлическим трубочкам, видным в левой задней части термостата. Таким образом, контактный термометр осуществляет тонкий «баланс» между нагревателем и «охладителем» и позволяет поддерживать температуру в термостате с точностью примерно ±0,1 °C в интервале от +1 до +95 °C. И если в термостат поместить колбу с веществом, температура вещества будет постоянной до тех пор, пока работает термостат. Если к воде добавить глицерин, температуру можно повышать уже до +160 °C (с повышением температуры вязкость глицерина быстро снижается), а если вдруг потребуется еще более высокая температура (что случается редко), в термостат заливают так называемое цилиндровое масло, которое можно нагревать до 30 °C! Конечно, и контролирующий, и контактный термометры должны соответствовать рабочему диапазону температур.

Если в специальную металлическую емкость, вставленную в бак, поместить лед, то температуру воды в термостате можно поддерживать более низкой, чем комнатная. Если же лед смешать с солью, можно опустить температуру ниже нуля градусов по Цельсию (но сам термостат при этом придется вместо воды заполнить низкозамерзающей жидкостью, например, водно-спиртовым раствором). Теоретически смесь льда с поваренной солью может понизить температуру до –21,3 °C, а если лед смешать с кристаллами хлористого кальция, можно получить даже –55 °C! Еще более низкую температуру, до –78 °C, дает «сухой лед» – твердый углекислый газ (его широко используют в пищевой промышленности, например, для сохранения мороженого жарким летом). Уместно сказать, что чистый этиловый спирт замерзает при еще более низкой температуре, примерно при –114 °C, правда, ниже –100 °C он уже начинает загустевать.

Но это не все, что умеет «умный» прибор. В самой правой его части видна еще пара трубочек, к которым присоединены уходящие вправо резиновые шланги. Если переключить белую рукоятку, вода помчится из бака по одной из этих трубочек. А по другой она должна вернуться назад! То есть циркулирующая в термостате вода способна поддерживать постоянную температуру где-нибудь еще, обычно неподалеку от термостата. Например, в каком-нибудь приборе. Конечно, там надо предусмотреть герметичный кожух, в одно из отверстий которого вода будет вливаться, а из другого – выливаться.

А если нужно не просто подогреть или охладить вещество, а сильно повысить его температуру, например, чтобы хорошо просушить осадок на фильтре? Для этого существуют сушильные шкафы (рис. 2.11).

^{Рис. 2.11. Воздух в этом сушильном шкафу можно нагреть до +200 °C}

В них тоже имеется датчик температуры (обычно электрический), нагреватель и реле, с помощью которого можно задать требуемую температуру. Конечно, точность поддержания температуры в сушильном шкафу не идет ни в какое сравнение с термостатом. Но это и не требуется. В таких сушильных шкафах удобно также сушить вымытую химическую посуду.

Измерение температуры

Трудно найти человека, во всяком случае в цивилизованных странах, который бы ни разу не измерял температуру тела. Термометр – настолько привычная вещь домашнего обихода, что на него не обращают внимания. И только в случае недомогания мы пристально всматриваемся в ртутный столбик – не повышена ли температура? А ведь термометры появились сравнительно недавно, и в течение нескольких тысячелетий у людей не было не только термометров, но они даже не знали такого понятия, как температура. Слово это происходит от латинского глагола tempero – «соблюдать меру»; соответственно temperamentum у древних римлян означало «соразмерность». А вместо температуры использовали качественные понятия: тепло, холодно, жарко, очень жарко и т. д. Понятия эти весьма относительные: одному человеку в помещении может быть жарко, другому – прохладно (особенно если у него повышена температура).

Можно проделать простой эксперимент, показывающий относительность тепловых ощущений человека; этот эксперимент известен уже несколько веков. Поставьте в ряд три кастрюли или глубокие миски. В левую налейте воду погорячее, но такой температуры, чтобы в нее еще можно было опустить руку. Кстати, попробуйте спросить своих знакомых, какая должна быть температура воды, чтобы еще можно было держать в ней руку. Вероятно, некоторые ответят – градусов 60–70 и очень удивятся, если вы скажете им, что если температура воды в кастрюле будет выше 45 °C градусов, то они не смогут опустить в нее руку даже на несколько секунд! В среднюю кастрюлю налейте воду, температура которой близка к 36 °C, так чтобы рука в ней не чувствовала ни холода, ни тепла. А в правую – воду похолоднее (в нее можно добавить несколько кусочков льда из холодильника), а зимой – снега. Конечно, вода не должна быть совершенно ледяной, чтобы не «заморозить» руку. Теперь опустите правую руку в холодную воду, а левую – в горячую, и через 5–10 секунд перенесите обе руки в среднюю кастрюлю. Ощущение будет необычным: одна рука почувствует явное тепло, другой же будет холодно!

«Градусы тепла» научились измерять только в XVII веке. В эти годы уже работали французский философ, математик и физик Рене Декарт (1596–1650), итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли (1608–1647), знаменитый итальянский математик, физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642), немецкий астроном, физик и математик Иоганн Кеплер (1571–1630), английский химик и физик Роберт Бойль (1627–1691), французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662), выдающийся английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1642–1727), другие ученые, заложившие основы современной науки. Отличительная черта этой эпохи – изобретение важнейших инструментов и проведение с их помощью количественных измерений. Именно переход от умозрительных суждений к эксперименту вызвал бурное развитие науки, продолжающееся по сей день.

Одним из важнейших изобретений XVII века было изобретение термометра. Сначала у него было мало общего с современным термометром. Например, Галилей изобрел термоскоп (рис. 2.12). Галилей взял стеклянную колбочку размером с куриное яйцо и присоединил к ней тонкую стеклянную трубочку длиной около 25 см. Нагрев колбочку руками, он опустил конец трубки в сосуд с водой. По мере остывания воздуха в колбочке вода частично заполняла трубку. Если колба нагревалась или охлаждалась, легко было заметить, что уровень воды в трубочке меняется. Впоследствии в трубочку стали вводить лишь капельку воды, которая двигалась вверх или вниз в зависимости от температуры воздуха. Прибор Галилея реагировал даже на небольшое нагревание или охлаждение колбочки. Но это не был «настоящий» термометр, потому что он реагировал не только на температуру, но и на атмосферное давление: при его повышении капелька воды двигалась в сторону колбочки, а при понижении – к концу трубочки. Причем изменение давления действовало на объем воздуха в колбочке значительно сильнее, чем изменение температуры. Так что это был «полутермометр-полубарометр». Однако о существовании атмосферного давления в то время ничего не знали.

^{Рис. 2.12. Рисунок из старинной книги с иллюстрацией действия термоскопа}

Постепенно прибор Галилея все более совершенствовался. Воду стали подкрашивать, чтобы она была лучше видна, а на трубочку наносили деления, чтобы можно было судить о «степени тепла». Для повышения чувствительности диаметр трубки уменьшили, а ее длину увеличили. Ведь чем тоньше трубка, тем сильнее будет влиять на положение капельки воды температура в колбочке. Чтобы тонкая длинная трубка не сломалась, ее изгибали – иногда самым причудливым образом (рис. 2.13).

^{Рис. 2.13. Показаны некоторые попытки сделать трубки первых термометров более компактными}

По мере того как трубочки термометров становились все более узкими, чувствительность термометров возрастала и наконец повысилась настолько, что стало возможным помещать в колбочки термометров не воздух (его объем очень сильно меняется с температурой), а жидкость, объем которой реагирует на изменение температуры незначительно. Например, если нагреть при постоянном давлении 1 литр воздуха с 20 до 50 °C, его объем увеличится на 10 % – до 1,1 л. Если же нагреть с 20 до 50 °C литр воды, ее объем увеличится только на 1 % (до 1,01 л). Но вода при температуре ниже 0 °C замерзнет, и прибор сломается; поэтому вместо воды обычно использовали подкрашенный спирт, который не замерзает даже в самые сильные морозы. Помимо этого спирт расширяется при повышении температуры в несколько раз сильнее, чем вода. Объем жидкости от давления практически не зависит, поэтому «термоскоп» стал «настоящим» термометром.

Больших успехов в изготовлении термометров достигли мастера-стеклодувы из итальянского города Флоренции, где в 1657 году князь Леопольдо Медичи основал Академию опытов. Главное усовершенствование состояло в том, что из шара и трубки удаляли воздух, после чего конец трубки герметизировали сургучом. Так впервые удалось полностью избавиться от влияния атмосферного давления, а заодно устранить испарение жидкости из трубочки. Приборы флорентийских мастеров были настоящими произведениями искусства (рис. 2.14). Их изготовление описано в трудах Академии, изданных в 1667 году: «Прежде всего стеклодув должен изготовить шарик соответствующей величины с припаянной к нему трубкой. Наполнение инструмента жидкостью происходит следующим образом: шарик нагревают и затем сразу погружают открытый конец трубки в спирт. Спирт начинает медленно подниматься по трубке. При помощи воронки с вытянутым тонким носиком спирт доливают в шар. Трубка заранее делится на равные части, причем деления отмечаются белыми бусинами. Затем почти готовый термометр нагревают и, наконец, герметически закрывают его, как только спирт достигнет высшей точки».

^{Рис. 2.14. Изображения термометров в трудах итальянской Академии опытов (1666)}

Обычно бусинами из белой эмали, которые впаивали в разогретую трубку, делили шкалу на 10 равных частей. Затем каждый промежуток делили еще на 10 равных частей с помощью девяти бусин из черной или цветной эмали. На длинной спиральной трубке термометра помещали много делений и наблюдали малые изменения температуры. С помощью таких термометров флорентийские академики сделали несколько открытий. Они, например, установили, что показание термометра не меняется, когда его шарик погружен в толченый лед, даже если сосуд со льдом помещен в кипящую воду. Ученые не знали, как объяснить это явление и не догадывались, что оно наблюдается при плавлении любого вещества. Сейчас любой школьник знает, что температура смеси воды со льдом будет постоянной (0 °C), пока весь лед не растает.

А теперь посмотрите на современный термометр – трубочка, по которой поднимается ртуть или спирт, очень узкая, особенно у медицинского термометра. Такие трубочки называются капиллярами (от латинского слова capillus – «волос»). Действительно, некоторые термометры имеют капилляры диаметром несколько сотых долей миллиметра – тоньше человеческого волоса! Эти термометры такие чувствительные, что легко улавливают изменение температуры даже в тысячные доли градуса.

Если положить рядом термометры, изготовленные в разное время в разных странах, они могут показать совершенно разные температуры. Например, на одном будет 40°, на другом – 50°, на третьем – 122°! Вы, наверное, уже догадались, что это разные градусы.

Действительно, когда-то во Франции и в России были распространены термометры со шкалой Реомюра, которая была предложена в 1730 году французским ученым Рене Антуаном Реомюром (1683–1757). В этом термометре шкала между точками замерзания и кипения воды разделена на 80 частей (рис. 2.15).

^{Рис. 2.15. Термометр, изготовленный в XIX веке, позволял определять, в соответствии с привычкой владельца, температуру по Цельсию или Реомюру, а также переходить от одной шкалы к другой}

В США распространена шкала Фаренгейта, предложенная в 1714 году работавшим в Голландии искусным немецким физиком и стеклодувом Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686–1736), который первым начал изготовлять точные термометры. У нас шкала Фаренгейта известна в основном благодаря знаменитому фантастическому рассказу Рея Брэдбери «451° по Фаренгейту». Формула, связывающая шкалу Фаренгейта (F) со шкалой Цельсия, выглядит очень странно: t °F = 9/5(t °С) + 32. Откуда она взялась?

Для калибровки своих термометров Фаренгейт использовал две точки: очень низкую температуру, которую дает смесь мелко колотого льда с солью и которая была принята за нулевую, а также «нормальную» температуру тела человека. Этот интервал он разделил на 12 частей; это число удобно тем, что оно делится и на 3, и на 4, и на 6. Первоначальные градусы получились у Фаренгейта слишком крупными (каждый градус соответствовал примерно 5 °C). Поэтому со временем Фаренгейт изменил шкалу: интервал между температурами охлаждающей смеси из льда с солью и плавления льда он последовательно пять раз разделил пополам и таким образом получил для плавления льда отметку на 32° выше нулевой (вот откуда в формуле для пересчета градусов Цельсия в градусы Фаренгейта появилось число 2⁵ = 32). По шкале Фаренгейта нормальная температура тела человека равна 98°, а температура кипения воды – 212°. Теперь становится понятным и другое число в формуле для перехода от шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта – это сотая часть интервала между точками кипения воды и плавления льда: (212 – 32)/100 = 9/5. А в рассказе Брэдбери 451 °F = 233 °C – это температура, при которой воспламеняется бумага (при чуть более высокой температуре – 236 °C – возгорается сосновая древесина). В научной литературе американцы давно перешли на привычную нам стоградусную шкалу. Что же до обывателей, то их мнение образно выразил один фермер, который на вопрос, чем ему не нравится шкала Цельсия, ответил: «Я никогда не поверю, что 40 градусов – это очень жарко. Когда же утром по радио передают, что сейчас в округе плюс десять градусов, то я твердо знаю, что мне надо одеться потеплее, взять лопату и идти отгребать снег от гаража…»

А теперь приступим к интересному эксперименту с медицинским термометром. Но прежде следует сказать о его потенциальной опасности. Медицинский термометр знаком каждому с детства и обычно вызывает лишь неприятные ассоциации: ведь как правило мы измеряем температуру только во время недомогания или болезни. У химика же термометр вызывает в основном опасения тем, что содержит ядовитый металл – ртуть. Если термометр разбить и не собрать тщательно всю разлившуюся ртуть (а это очень трудно сделать!), то мельчайшие шарики ртути, закатившиеся в труднодоступные места, будут медленно испаряться, а ее пары, попадая в легкие, задерживаются там и вызывают впоследствии отравление организма. Кстати, по той же причине опасность представляют и лампы дневного света, содержащие ртуть. Некоторым «противоядием» от остатков пролитой ртути может служить регулярное и частое проветривание помещения, снижающее концентрацию паров ртути в воздухе.

Но разве ртуть при комнатной температуре испаряется? Ведь температура кипения ее очень высока – 357 °C. Тем не менее в полностью изолированном помещении, в котором пролита ртуть, в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится 30 триллионов атомов ртути, или 13,4 мг/м³, что в 1300 раз больше предельно допустимой концентрации! И вот что еще плохо: поскольку силы притяжения между атомами ртути малы (именно поэтому этот металл жидкий), испаряется ртуть довольно быстро, хотя на первый взгляд кажется, что пролитые капли ртути в течение длительного времени вовсе не уменьшаются в размере. А отсутствие цвета и запаха у паров ртути приводит к тому, что без специальных приборов обнаружить их в воздухе невозможно.

Известен эффектный опыт, доказывающий довольно быстрое испарение ртути (конечно, его можно показывать только в лаборатории). Плотно закрытую маленькую склянку с ртутью устанавливают перед экраном, покрытым специальным составом, который светится под действием ультрафиолетовых лучей (подробнее об этом можно прочитать в главе «Химики разгадывают тайны свечения»). При включении ультрафиолетовой лампы (она располагается перед склянкой) экран начинает ярко и равномерно светиться. Если теперь вытащить пробку, то на экране появляются движущиеся тени, как будто из сосуда с ртутью идет дым, отбрасывающий эти тени на экран. Объясняется это просто: поднимающиеся из сосуда, почти как дым из трубы, пары ртути задерживают ультрафиолетовые лучи, и в этих местах экран временно не светится.

В последнее время стали появляться электронные термометры, не содержащие ядовитый металл. Но они пока довольно дороги, и в большинстве домов по-прежнему пользуются ртутными термометрами, конструкция которых доведена до совершенства и не меняется уже многие десятилетия. (Иногда в продаже бывают значительно менее опасные термометры: они очень тонкие, ртути в них мало, а главное – если такой термометр уронить, он разбивается посередине и ртуть не выливается.) Будем надеяться, что вы постараетесь работать аккуратно и термометр не разобьете.

Несмотря на ядовитые свойства ртути, ее используют в термометрах со времен Фаренгейта. Она удобна по многим причинам: не смачивает стекло, поэтому отсчет температуры получается более точным; с повышением температуры ртуть расширяется более равномерно, чем другие жидкости, поэтому расстояния между всеми делениями шкалы ртутного термометра одинаковые. Наконец, нагреть ртуть до определенной температуры почти в 30 раз легче, чем воду до той же температуры, поэтому ртутный термометр, помимо прочих достоинств, обладает и малой инерционностью – не надо долго ждать, пока шарик со ртутью примет температуру окружающего воздуха или тела.

Почему же врачи рекомендуют измерять температуру под мышкой не менее пяти минут, а лучше – десять? Ведь термометр может показать правильную температуру уже через полминуты! Но это только в том случае, если между ним и средой имеется очень хороший тепловой контакт, например, когда лабораторным термометром измеряют температуру жидкости; медицинским термометром этого нельзя делать ни в коем случае – если температура воды превысит 42 °C, термометр тут же лопнет! Но вроде между термометром и кожей под мышкой контакт довольно тесный… А все дело в том, что поверхность кожи всегда холоднее, чем кровь и внутренние органы. Еще в XIX веке ученые установили, что самое горячее место в теле человека находится в той части печени, где из нее вытекает венозная кровь, температура которой у здорового человека превышает 40 °C. А вот кожа может иметь намного более низкую температуру, например, в области ступней. Поэтому когда руку с термометром под мышкой прижимают к телу, прежде всего должна прогреться сама подмышечная впадина – ее согревает тепло циркулирующей крови. А для этого требуется некоторое время.

Что же интересного может быть в измерении температуры медицинским термометром? А вот что. Вы никогда не задумывались, почему он «держит» измеренную когда-то температуру – даже если после измерения прошло много времени? Ведь термометр за окном или в комнате на стене исправно «следит» за температурой окружающего воздуха – столбик подкрашенной жидкости в нем поднимается или опускается при изменении температуры. И дело вовсе не в том, что в этих термометрах вместо ртути – подкрашенный спирт. В лабораториях температуру измеряют чаще всего ртутными термометрами, и когда они просто лежат в ящике лабораторного стола, то показывают температуру воздуха: столбик ртути никогда не «застревает» в них на определенной отметке.

В чем же секрет медицинского термометра? В нем используется принцип разрывания столбика ртути, который после измерения не должен изменять свою длину. Возьмите обыкновенный медицинский термометр и осторожно встряхните его, как всегда это делаете перед измерением температуры (лучше встряхивать термометр над чем-нибудь мягким: диваном, кроватью, в крайнем случае, над ковром – вдруг он случайно выскользнет из руки). Теперь положите термометр на мягкую подстилку на столе (подальше от края) и при хорошем освещении внимательно посмотрите на него в сильную лупу. Вы увидите, что от стеклянного баллончика с ртутью отходит узкая трубочка с очень тонким внутренним каналом – капилляром; конец этой трубочки припаян к внешнему стеклянному баллону. Канал внутри трубочки настолько тонкий, что трубочка сама сделана в виде увеличительного стекла, чтобы лучше разглядеть столбик ртути. В самом же начале капилляра в стекле сделана перетяжка – самое узкое место канала. Через эту перетяжку ртуть сама перетечь в основной канал не может, как не может она и вернуться назад. Что же происходит при измерении температуры?

Внимательно посмотрите через лупу на перетяжку и одновременно очень осторожно нагревайте пальцами свободной руки баллончик с ртутью – но ни в коем случае не горячей водой или горячим предметом! Перед вами предстанет удивительное зрелище: в отличие от других, не медицинских, термометров, ртуть поступает в очень тонкий капилляр из резервуара не равномерно, а скачками, периодически «выстреливая» в него через перетяжку мельчайшими капельками. Заставляет ее это делать повышение давления в резервуаре при подъеме температуры. В отсутствие давления ртуть сама через перетяжку пройти не может. Поэтому когда термометр вынимают из-под мышки, резервуар начинает охлаждаться, столбик ртути в месте перетяжки разрывается, и часть ее остается в капилляре – ровно столько, сколько ее там было во время измерения температуры. Резко встряхивая термометр, мы сообщаем столбику ртути ускорение, в десятки раз превышающее нормальное ускорение силы тяжести. Развиваемое при этом давление «загоняет» ртуть через перетяжку обратно в резервуар. Так что наш маленький медицинский термометр – настоящее чудо техники! Кстати «знатоки» из телевизионной передачи «Что? Где? Когда?» не смогли ответить на вопрос, почему показание медицинского термометра не изменяется после измерения температуры.

Жители средней полосы России и тем более ее южных областей не всегда знают, что ртутный термометр может отказать в трескучие зимние морозы, которые случаются в северо-восточной части нашей страны. Получается так потому, что при температуре ниже –38,9 °C ртуть замерзает. Это явление впервые наблюдал в Иркутске при сильном морозе в 1736 году французский астроном и географ Жозеф Никола Делиль (1688–1768). При основании Российской академии наук в 1725 году Делиль был приглашен в Петербург на место директора астрономической обсерватории и прожил в России до 1747 года. В Сибирь он ездил с научной целью – для наблюдения за прохождением Меркурия перед диском Солнца и для определения географического положения некоторых населенных пунктов. Искусственно же заморозить ртуть с помощью охлаждающей смеси (из льда и концентрированной азотной кислоты) удалось лишь в 1759 году другому петербургскому академику Иосифу Адаму Брауну (1712–1768); его пригласили в Российскую академию в 1746 году. Браун обнаружил, что твердую ртуть можно ковать, как обычные металлы; он написал также много статей по физике и метеорологии.

Здесь уместно сказать, какие же морозы бывают на Земле. Много лет самой низкой температурой у земной поверхности считалась температура, которую наблюдали в августе 1960 года в районе советской антарктической станции «Восток», расположенной на высоте 3488 м над уровнем моря (78°28′ южной широты, 106°48′ восточной долготы), –88,3 °C. Этот рекорд был побит в разгар зимы 21 июля 1983 года на той же станции «Восток»: –89,2 °C.

В Северном же полушарии «полюсом холода» считается район Оймякона (город в верховьях реки Индигирки в Якутии). В феврале 1933 года в Оймяконе температура воздуха понизилась до –67,7 °C, а температура снега составила –69,6 °C. Очень сильные холода бывают также в Верхоянске – городе на реке Яне, к северо-западу от Оймякона. В феврале 1892 года там была зафиксирована температура –69 °C. В Оймяконе в тот год измерения не проводились, однако обычно в самые холодные ночи там на два градуса холоднее, чем в Верхоянске. Поэтому считается, что когда в Верхоянске было –69 °C, в Оймяконе должно было быть –71 °C! В этих местах фиксируется и самая большая в мире годовая амплитуда температур, которая даже вошла в Книгу рекордов Гиннеса: 106,7 °C (от –70 до +36,7 °C), в районе Верхоянска.

Ниже 50 градусов в России бывает в Якутии, Красноярском крае, Томской и Магаданской областях. Но не только Россия славится холодами, при которых замерзает ртуть в термометрах. В феврале 1947 года в Канаде (станция «Снэг») была зафиксирована температура –62,8 °C. В январе 1971 года в горах Эндикотт (Аляска) было –62,1 °C. Ниже –50 °C температура бывает в США – в штатах Монтана, Колорадо, Айдахо, Сев. Дакота, Вайоминг. В Швеции и Норвегии также может быть ниже –50 °C.

Если надо измерять такие низкие температуры, вместо ртути можно использовать некоторые ее сплавы. Например, сплав ртути с 8,5 % редкого металла таллия не замерзает до –60 °C; этот сплав предложил академик Николай Семенович Курнаков (1860–1941). Для измерения низких температур широко используют также органические соединения – петролейный эфир, керосин, толуол, спирт. Такими жидкостями заменяют ртуть в бытовых термометрах, не требующих высокой точности. Термометром, заполненным спиртом, можно измерять температуры от –100 до +75 °C. При более низкой температуре спирт становится вязким, что затрудняет измерения.

При измерении высоких температур появляются другие проблемы. При температурах более +200 °C ртуть начинает интенсивно испаряться (кипит она при +357 °C) и конденсироваться в верхней части капилляра. Однако есть ртутные термометры, позволяющие измерять температуру до +600 °C. В них над ртутью под большим давлением (порядка 30 атм) находится инертный газ, не дающий ртути закипеть даже при очень высокой температуре.

Разновидностей лабораторных термометров очень много. Некоторые из них предназначены не столько для измерения температуры, сколько для ее поддержания в заданных пределах в том или ином приборе. Так, уже упоминавшийся электроконтактный термометр (рис. 2.16) автоматически включает или выключает какой-либо прибор при достижении определенной температуры. Внутри капилляра этого термометра с помощью магнитной муфты перемещается тоненькая, диаметром 0,1 мм, вольфрамовая проволочка. Нижний конец ее устанавливают на температуру, которую нужно поддерживать постоянной, вращая магнит в ту или иную сторону. В нижнюю часть капилляра впаян второй (неподвижный) платиновый контакт, который всегда погружен в ртуть. Термометр соединяют с реле, которое управляет, например, нагревателем термостата. Как только поднимающийся ртутный столбик коснется вольфрамовой проволочки, электрическая цепь замкнется и реле выключит нагреватель. Когда жидкость в термостате чуть охладится, ртуть в капилляре опустится, разрывая контакт, и реле вновь включит нагреватель.