Текст книги "Удивительная химия"

Вот эти правила:

«Если вы откупорили что-либо – закупорьте.

Если в руках у вас жидкое – не разлейте, порошкообразное – не рассыпьте, газообразное – не выпустите наружу.

Если включили – выключите.

Если открыли – закройте.

Если разобрали – соберите.

Если вы не можете собрать – позовите на помощь умельца.

Если вы не разбирали – не вздумайте собирать.

Если вы одолжили что-либо – верните.

Если вы пользуетесь чем-либо – держите в чистоте и порядке.

Если вы привели что-либо в беспорядок – восстановите статус-кво.

Если вы сдвинули что-либо – верните на место.

Если вы хотите воспользоваться чем-либо, принадлежащим другому, попросите разрешения.

Если вы не знаете, как это действует, ради бога, не трогайте.

Если это вас не касается – не вмешивайтесь.

Если не знаете, как это делается, сразу спросите.

Если не можете что-либо понять – почешите в затылке.

Если все же не поймете, то и не пытайтесь.

Если вы горите на работе, постарайтесь, чтобы у вас ничего не загоралось.

Если у вас что-либо взорвалось, проверьте, остались ли вы живы.

Если не усвоили этих правил, не входите в лабораторию».

Ну вот, теперь самое время заняться экспериментом. Помимо весов нам понадобятся самые простые вещи, например, обычная аптечная пипетка.

ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Измеряем плотность металла

Один из самых великих ученых древности Архимед был родственником царя Гиерона, который правил в городе Сиракузы на острове Сицилия. Как-то царь заказал своему ювелиру изготовить ритуальный золотой венец, который использовался во время жертвоприношений. Чистое золото слишком мягкое, поэтому в золотые изделия для придания им твердости добавляют определенное количество меди или серебра. Гиерон, подозревая своего ювелира в обмане, поручил Архимеду доказать, что в корону подмешано больше меди, чем следовало. Архимед долго и безуспешно пытался решить эту задачу. Ведь никаких методов химического анализа в те времена еще не существовало. Единственный способ заключался в определении плотности металла, а для этого надо было взвесить корону (что не составляло труда) и определить ее объем – а вот это сделать для предмета неправильной формы не так-то просто! Предание гласит, что решение пришло неожиданно, во время приема ванны: ученый обратил внимание на то, что его тело выплеснуло из ванны часть воды на пол, а само стало весить намного меньше. Значит, об объеме веса тела (причем не обязательно Архимедова!) можно судить по тому, насколько оно потеряет в весе при погружении в воду. Архимед был настолько взволнован этим открытием, что выскочил из ванны и, забыв о том, что он голый, побежал по улицам Сиракуз с радостным криком: «Эврика!» (что в переводе означает «Нашел!»). Так это было или иначе – доподлинно неизвестно, несомненно лишь то, что именно Архимед открыл знаменитый закон, названный впоследствии его именем. После этого задача с короной была быстро решена: Архимед знал плотность чистого золота (по современным данным 19,3 г/см³ – это один из самых тяжелых металлов) и меди (8,96 г/см³). Возможно, при изготовлении короны золото было сплавлено не с чистой медью, а с бронзой – сплавом меди и олова; Архимед, конечно, знал и плотность бронзы. Измерив плотность короны, Архимед вычислил долю золота в сплаве.

Попробуем повторить опыт Архимеда. Конечно, мы возьмем не золотую корону, а что-нибудь попроще, например, старую серебряную ложку. А действительно ли она серебряная? Естественно, если сохранилось клеймо, на котором указана проба серебра, то никаких измерений не потребуется. А если оно не сохранилось или на нем ничего разобрать нельзя даже с помощью лупы? Тут-то и пригодится способ, придуманный Архимедом. Плотность – это отношение массы к объему. Массу ложки легко определить взвешиванием. А как найти ее объем? С помощью тонкой нитки привяжем ложку к одной из чашек весов и взвесим ее. Теперь повторим взвешивание, аккуратно опустив ложку в кастрюлю или большую банку с водой так, чтобы ложка не касалась стенок (подобные измерения плотности проводил еще Роберт Бойль, как это видно из рис. 1.1). В соответствии с законом Архимеда, ложка должна потерять в весе ровно столько, сколько весит вода, вытесненная ложкой. Плотность воды при комнатной температуре почти не отличается от 1,00 г/см³, поэтому разность двух взвешиваний ложки – в воздухе и в воде – как раз и равна объему ложки в кубических сантиметрах. Пусть, например, ложка весила в воздухе 89 г, а в воде – 78 г. Разность дает нам объем ложки – 11 см³. Плотность ложки получается равной 89 г:11 см³ = 8,1 г/см³ (с округлением первого знака после запятой из-за не очень точного взвешивания). Значит, ложка не серебряная (плотность серебра 10,50 г/см³), а скорее всего – стальная. Таким же способом можно отличить и многие другие металлы, например, свинец (плотность 11,3 см³) от олова (плотность 7,29 см³).

Если у кого-нибудь есть дома школьная медаль – «золотая» или «серебряная», можете попробовать таким же способом измерить ее плотность. После этого станет понятно, почему слова, обозначающие достоинства медали, взяты здесь в кавычки. Если таких «сувениров» не отыщется, вот результаты измерений автора.

Медаль № 1. «Золотая» медаль, выданная в 1962 году. Диаметр – 40 мм. На одной стороне – надпись «РСФСР» и соответствующий герб (сейчас уже мало кто помнит, в каком порядке в этой аббревиатуре следуют слова «социалистическая» и «советская»); на другой стороне изображена книга в лавровом венке и надпись «За отличные успехи в учении, труде и за примерное поведение» (ее острословы быстро переиначили: «За тихие успехи и громкое поведение»). Масса медали (взвешивание проводилось в домашних условиях на простых аптекарских весах, которые подвешиваются за колечко на гвоздик) равна 26,46 г в воздухе и 23,48 г – в воде. Отсюда объем медали – 2,98 см³, а плотность – 2,46 г / 2,98 см³ = 8,88 г/см³ ~ 8,9 г/см³. Полученное значение очень близко к плотности меди – 8,96 г/см³. Напомним, что золото более чем вдвое тяжелее. Значит, медаль сделана из меди (или медного сплава, например, из латуни или бронзы – сплавов меди с цинком и оловом) и лишь позолочена с поверхности. Как сказали знающие люди, до 1960 года школьные медали действительно были золотыми, 375-й пробы, т. е. золота в них было 37,5 %; теперь же «золотые» медали делают из томпака (это сплав меди с цинком, близкий к латуни, но с меньшим содержанием цинка) и только снаружи покрывают позолотой.

Медаль № 2. «Серебряная» медаль, выданная в 1968 году. Внешне она отличается от предыдущей только цветом. Масса – 24,96 г в воздухе и 22,06 г в воде, объем – 2,90 см³, плотность – 8,61 ~ 8,6 г/см³. Видимо, это тоже медный сплав; такую плотность имеет, например, сплав, очень близкий к мельхиору: 75 % меди, 20 % никеля и 5 % цинка, а также бронза состава 67 % меди, 33 % олова. А довольно сильное потемнение медали за несколько десятков лет говорит о том, что она, скорее всего, посеребрена (серебро темнеет на воздухе, если в нем есть хотя бы малейшие следы сероводорода, который может выделяться из резины, при варке яиц и т. п.). О серебряном покрытии непосредственно свидетельствует и проба, применяемая ювелирами. Когда на очищенную боковую поверхность медали капнули раствором дихромата калия («хромпика») в серной кислоте, под каплей сразу же появилось характерное красное пятно (легко потом счищаемое) – осадок дихромата серебра красного цвета.

Медаль № 3. «Серебряная» медаль, выданная в 1998 году. Размер у нее такой же, но рисунок другой: на одной стороне – силуэт женщины в лучах солнца, на другой – герб Российской Федерации на символической «сургучной» печати и две надписи: «Россия» и «За особые успехи в учении». Ну а каковы «особые успехи» в составе сплава? Масса медали – 26,50 г в воздухе, 23,50 г в воде, объем – 3,00 см³, плотность – 8,83 ~ 8,8 г/см³. Видно, что за 30 лет медаль немного потяжелела, приблизившись по плотности к «золотой». Но она, конечно, не серебряная, во всяком случае, не из чистого серебра (напомним, что его плотность 10,5 г/см³). И даже не из «монетного сплава», содержащего 90 % серебра и 10 % меди (его плотность 10,3 г/см³). Плотность 8,8 г/см³ имеют, например, сплавы 65 % меди, 18 % никеля и 17 % цинка, или 90 % меди и 10 % олова (бронза), или 96 % меди и 5 % марганца, а также некоторые другие. Проба с тем же раствором не дала с первой попытки положительного результата, только после зачистки небольшого участка на ребре медали на нем под действием реактива появилось красное пятно. Видимо, современные медали после серебрения покрывают каким-то защитным слоем – недаром они не темнеют со временем!

В заключение – краткие сведения о пробах, которые ставятся на изделиях из драгоценных металлов: золота, серебра, платины, палладия. Иногда, чтобы разглядеть пробу на старом изделии, нужно увеличительное стекло. Проба указывает содержание в сплаве драгметалла. Пробы бывают разные. Так, старая российская золотниковая проба, введенная указом Петра в 1700 году, обозначала количество золотников чистого металла в одном фунте сплава. Современная метрическая проба (в нашей стране она принята в 1926 году) показывает массу драгметалла в граммах в 1000 г сплава. Поэтому, например, старой пробе 84 соответствует современная (84:96) · 1000 = 875. Например, с 1886 года проба российских монет достоинством 1 рубль, 50 и 25 копеек была равна 86 · 2/5 (что соответствует современной 900-й пробе), а проба монет достоинством 20, 15, 10 копеек и маленьких серебряных «пятачков» массой всего 0,9 г, которые чеканились с 1867 по 1915 год (в отличие от громадных медных пятаков массой 16,38 г), была равна 48 (по-современному – 500). Советские рубли и полтинники имели 900-ю пробу, а более мелкие серебряные монеты 1921–1931 годов содержали только 50 % серебра (500-я проба). Современные серебряные изделия могут иметь пробу 960, 925 (так называемое «стерлинговое» серебро – название происходит от серебряной английской монеты, которая чеканилась в XII–XV веках; 240 таких монет по весу составляли «фунт стерлингов»), 916, 875, 800 и 750.

На золотых украшениях часто стоит 583-я проба. Это означает, что сплав содержит 58,3 % золота. Сейчас часто можно встретить на золотых изделиях 585-ю пробу. Это не значит, что золота в них больше. Проба 583 – это пересчет на метрическую старой 56-й пробы: (56:96) · 1000 = 583,3. Допустимое отклонение в содержании драгметалла укладывается в эту разницу, поэтому пробы 583-я и 585-я – это фактически одно и то же.

В некоторых странах (Англия, Швейцария) до сих пор используют каратную пробу, по которой чистое золото имеет пробу 24 карата; таким образом, пробе «14 карат» соответствует метрическая 583-я проба.

Для приблизительного определения пробы используют химический метод. След, оставленный изделием на пробирном камне (черный камень с отшлифованной матовой поверхностью), обрабатывают специальными растворами. Так, концентрированная 72 %-ная азотная кислота полностью растворяет след от золотого сплава, если его проба меньше 333-й. Если штрих окрасился в коричневый цвет, проба золота – от 333-й до 500-й, а если изменений не было – больше 500-й. Коричневый след – это мелкораздробленное золото, оставшееся после растворения других металлов (меди, серебра) в сплаве. Используя смесь азотной и соляной кислот, можно быстро определить приблизительное содержание золота в сплавах с пробой от 160-й до 1000-й (чистое золото). Для более точного определения пробы цвет штриха от изделия сравнивают с цветом штрихов от эталонных сплавов известной пробы. Таких сплавов (в виде специальных игл) существует множество, и отличаются они содержанием не только золота, но также меди и серебра. Дело в том, что даже при одной и той же пробе золотые изделия могут сильно отличаться по цвету. Это зависит от вида и содержания металла, с которым сплавлено золото (такой металл называют лигатурным). Так, серебро, сплавляемое с золотом в разных соотношениях, придает сплаву белый, желтый или даже зеленый оттенок. Медь делает золото красноватым, сплав, содержащий 9 % серебра и 32,5 % меди, имеет оранжевый цвет, а сплав с 20 % палладия дает так называемое «белое золото».

Реже применяются другие лигатуры. Например, кадмий придает золоту зеленоватый оттенок, цинк – белый, никель – бледно-желтый.

Измеряем диаметр атома

«Неужели это возможно в домашних условиях?» – спросите вы. Вполне возможно, только для того, чтобы рассчитать диаметр атома, надо кое-что знать. Например, что атомы многих металлов можно представить в виде маленьких, плотно упакованных шариков. В таком случае атомы-шарики занимают 74 % всего пространства, а остальные 26 % приходятся на пустоты между ними. Еще надо знать, как связан объем шара (V) с его диаметром (d) – эту формулу можно найти в учебнике или в справочнике по математике: V = πd³/6, где π = 3,14. Наконец, надо знать очень важную для химии величину, которая называется постоянной Авогадро (N_A) – в честь итальянского ученого XIX века Амедео Авогадро (1776–1856). Эта константа показывает, сколько частиц – атомов, ионов или молекул содержится в одном моле вещества. Моль – очень удобная для химиков единица измерения, так как в одном моле любого вещества содержится одинаковое число частиц. Например, 1 моль воды (18 г), или 1 моль сахара (343 г), или 1 моль кислорода (32 г) содержит одинаковое число молекул, равное N_A = 6,02 · 10²³. Ровно столько же атомов содержит 1 моль алюминия (27 г), или 1 моль меди (64 г), или 1 моль серебра (108 г). А 1 моль поваренной соли (58,5 г) содержит по 6,02 · 10²³ положительно заряженных ионов (катионов) натрия и отрицательно заряженных ионов (анионов) хлора. Понятие «моль» (раньше его называли «грамм-молекулой», а еще раньше, во времена Менделеева, – «химическим паем») удобно тем, что им можно пользоваться и не зная численного значения постоянной Авогадро, так как вещества реагируют друг с другом в соответствии с числом молей в них.

О том, как ученые определили это огромное число, мы еще поговорим, а пока вернемся к нашей ложке. Итак, пусть в предыдущем опыте нам повезло, и ложка оказалась из серебра высокой пробы с плотностью 10,5 г/см³. Теперь у нас есть все данные, чтобы определить размер «серебряного атома». В 1 см³ серебра содержится 10,5 г:108 г/моль = 0,097 моль, или 0,097 · 6,02 · 10²³ = 5,84 · 10²² атомов серебра. Если не считать пустоты между атомами, то на долю самих атомов-шариков придется не 1 см³, а немного меньше – 0,74 см³. Значит, объем одного атома равен 0,74 см³/5,84 · 10²² = 1,27 · 10^-23 см³. Осталось только по приведенной выше формуле рассчитать диаметр атома серебра. Он получится очень маленьким: d ~ 3 · 10^-8 см, или 0,3 нм (нанометр – одна миллиардная часть метра – самая подходящая единица для измерения таких малых величин).

Все атомы имеют очень малые размеры. Цепочка из миллиона атомов серебра, плотно уложенных друг к другу, протянется всего на 0,3 мм. Для сравнения: если уложить в цепочку миллион маковых зернышек диаметром 1 мм, то такая цепочка протянется на 1 км! Из-за малого размера атомов их невозможно увидеть даже в самый сильный оптический микроскоп. Зато ученые придумали другие приборы, позволяющие получать изображения отдельных атомов.

Примерно такие же размеры, как атом серебра, имеют небольшие молекулы – кислорода, азота, метана, воды; все они содержат несколько небольших атомов. Бывают молекулы, которые значительно больше: они содержат много атомов или атомы больших размеров (например, атомы иода). В следующем разделе мы познакомимся с одним из методов измерения размера молекул. А сейчас – некоторые интересные и полезные сведения об Авогадро и постоянной, названной его именем.

Итальянский химик Авогадро прожил очень долгую по меркам того времени жизнь. Он родился в 1776 году в Турине, в Северной Италии. Получил юридическое образование и в возрасте 20 лет был назначен секретарем префектуры. Это были годы, когда в Италии гремела слава молодого французского полководца Наполеона. Однако Авогадро не привлекала ни военная, ни юридическая карьера. Со временем он стал все больше интересоваться естественными науками – физикой и химией, которые изучил самостоятельно. В 1809 году он начал преподавать физику в городе Верчелли, недалеко от Турина, а в 1820 году был назначен профессором математической физики в Туринском университете. В университете Авогадро проработал до преклонного возраста и покинул его лишь в 1850 году. Умер Авогадро в Турине в 1856 году. О его личной жизни сохранилось очень мало сведений. Прославили же Авогадро две статьи, опубликованные в 1811 и 1814 годах. Вначале они не вызвали интереса и были почти забыты. Сегодня же имя Авогадро знают школьники всех стран, если они изучают физику и химию.

Закон Авогадро звучит очень просто: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Из этого закона следовало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы, а также состав молекул газообразных соединений. Благодарные потомки назвали число частиц в одном моле вещества постоянной Авогадро, которую обозначили как N_A. Кстати, само слово «моль» – итальянского, вернее, латинского происхождения. В переводе с латыни moles означает «тяжесть, глыба, громада». На современной двухцентовой итальянской монете изображен купол со шпилем «Антонеллиевой громады» (mole Antonelliana), самой высокой конструкции в Италии (167,5 м); интересно, что это сооружение считается символом Турина, родного города Авогадро. Соответственно, molecula (с уменьшительным суффиксом – cula) – «маленькая масса», как корпускула – «маленькое тело» (так во времена Ломоносова называли молекулы). Помимо указанного значения слово moles на латыни означает «дамба, насыпь, укрепленная большими камнями» (вспомним слово «мол» – сооружение в гаванях для защиты судов от морских волн). Тот же корень в латинском слове mola — «жернов» («громадный камень») и в глаголе molo — «молоть». Отсюда и молот с молотком, и моляр – зуб, размалывающий твердую пищу, как жернов на мельнице, и даже вредная моль – насекомое, измельчающее, стирающее вещи в муку.

Постоянная Авогадро – огромное число, с трудом поддающееся воображению; оно, к примеру, в 4 миллиарда раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, выраженное в миллиметрах! Это означает, что атомы и молекулы очень маленькие – раз их так много помещается в сравнительно небольшом количестве вещества. Еще в XIX веке ученым было очевидно, что, поскольку атомы и молекулы очень маленькие и никто их еще не видел, постоянная Авогадро должна быть очень велика. Постепенно физики научились определять размеры молекул и значение постоянной Авогадро – сначала очень грубо, приблизительно, затем все точнее. Прежде всего им было понятно, что обе величины связаны между собой: чем меньше окажутся атомы и молекулы, тем больше получится постоянная Авогадро.

Преподаватели и популяризаторы химии придумали множество эффектных способов, чтобы наглядно показать грандиозность этого числа. Вот некоторые из них.

В пустыне Сахара содержится менее трех молей самых мелких песчинок.

Если объем футбольного мяча увеличить в N_A раз, то в таком мяче поместится Земной шар. Если же в N_A раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд. Кстати, число звезд во Вселенной примерно равно постоянной Авогадро.

Если взять 100 г красителя, пометить каким-либо способом все его молекулы, вылить этот краситель в море и подождать, пока он равномерно распределится по всем морям и океанам до самого дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, мы обязательно обнаружим в нем не один десяток «меченых» молекул.

При каждом вдохе человека в его легкие попадает хотя бы несколько молекул кислорода и азота, которые содержались в последнем выдохе Юлия Цезаря (44 год до н. э.).

Если взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки двухкилометровым плотным слоем.

В древности на Востоке придумали такую легенду. В сказочном царстве находится огромная гранитная скала. Представим себе, что она имеет форму куба с ребром, равным 1 км. Раз в столетие на скалу садится ворон и чистит об нее клюв. Если предположить, что при этом скала стирается на 0,0001 г, то число лет, за которое от скалы не останется ни одной песчинки, меньше, чем постоянная Авогадро.