Глава I. Химическая "магия" (реакции соединения)

Среди фокусов, которыми в прежние времена заезжие "профессора белой и черной магии" поражали обывателей глухих провинциальных городов, многие основаны на химии.

В сущности, это, конечно, не фокусы, а просто более или менее эффектно обставленные химические опыты, и все они легко могут быть проделаны каждым из вас.

Опыты эти приводили в трепет невежественное население дореволюционной провинции, не знавшее химических законов, положенных в основу всех этих "фокусов".

Я покажу вам несколько десятков таких опытов, и вы увидите, что они не только любопытны, но зачастую и весьма поучительны. Знакомство с сущностью этих опытов открывает нам главнейшие законы химии.

Послушная папироса

Одним из самых простых и в то же время наиболее мудреных фокусов для незнающих химии является такой: фокусник берет в рот папиросу и, показывая на стоящий перед ним стакан, говорит, что сейчас он соберет дым папиросы в этот стакан, да еще в закрытый. При этом "профессор белой и черной магии" закуривает папиросу, а стакан прикрывает чайным блюдцем.

Действительно, по мере того как выкуривается папироса, стакан все более и более наполняется дымом (рис. 1).

Рис. 1. Стакан наполняется дымом

Этот опыт можно варьировать на разные лады. Можно предварительно выкурить папиросу и сказать публике, что вы сейчас сделаете то, чего никто из присутствующих сделать не может: соберете рассеявшийся по комнате дым и наполните им закрытый стакан. Говоря так, вы обратите внимание зрителей на стакан, прикрытый куском картона, на котором стоит другой стакан, опрокинутый вверх дном. Еще лучше, если замените стаканы двумя узкими и высокими стеклянными цилиндрами с широкими фланцами (рис. 2).

Рис. 2. Видоизменение предыдущего опыта

Быстрым движением вы выдергиваете картонный листок, разделяющий стаканы или цилиндры, - и почти моментально они наполняются дымом.

Можно обойтись и без всякой посуды и изумить своих товарищей, покуривая сразу две трубочки, дым которых будет идти из одной в другую (рис. 3).

Рис. 3. Дым из одной трубки идет в другую

Я покажу вам этот фокус в его самой поучительной форме.

Смотрите. Я беру ленточку металла магния, порошок которого жгут для освещения помещений при фотографических съемках. Один конец ее укрепляю в пробке, пробкою же закупориваю бутылку с отрезанным дном, так что ленточка висит внутри нее. На тарелку наливаю воды, зажигаю магний снизу и ставлю бутылку в тарелку.

Вскоре бутылка наполняется белым дымом.

Я сейчас заставлю его перейти из бутылки в закрытый стакан. Стакан, находящийся на другом конце стола, прикрываю чайным блюдцем, как в фокусе с папиросой, и, - смотрите внимательно, - по мере того, как редеет и исчезает дым в бутылке, он появляется и густеет в стакане (рис. 4).

Рис. 4. Дым исчезает в бутылке и появляется в стакане

Заметьте еще, что вода из тарелки проникла в бутылку и стоит там на более высоком уровне, чем снаружи в тарелке.

Не кажется ли вам это удивительным? Ведь от нагревания воздух в бутылке должен был расшириться, а не сжаться.

Но объясним химический смысл всех этих фокусов.

Конечно, дым от выкуренной папиросы рассеивается в воздухе, а в бутылке образуются белые хлопья: результат соединения кислорода воздуха с магнием - окись магния. Два простых вещества (химических элемента) дали сложное.

Поднятие воды под бутылкой объясняется тем, что часть находящегося в ней кислорода соединилась с магнием.

Ну, а причина появления дыма в закрытом стакане?

На дно его я до начала опыта капнул несколько капель нашатырного спирта, а ту сторону блюдца, которая прикрывает стакан, смочил соляной кислотой.

Соляная кислота - это раствор в воде хлористоводородного газа, а нашатырный спирт - тоже раствор в воде другого газа - аммиака. Оба летучи и, выделяясь из растворов и смешиваясь в воздухе, соединяются в виде дыма в микроскопические кристаллики нашатыря. Два сложных вещества (кислота и щелочь) дали другое сложное (соль).

Опыт объясняется, следовательно, просто, но вводит нас сразу в гущу химических понятий, давая нам сведения о существовании таких веществ, как кислоты, основания, соли.

Что они в отдельности собою представляют, мы узнаем из дальнейших опытов.

- Ну, а как же с трубками, обменивающимися своим дымом? - напоминаете вы мне.

Да разве не догадались? В одну "фокусник" заранее вкладывает ватку, смоченную нашатырным спиртом, в другую - соляной кислотой. Конечно, он при этом не курит, то-есть не втягивает воздух в себя, а, наоборот, выдыхает его через трубки, вдыхая носом.

Вот и весь секрет.

Три "кита" химии

Исследуя вещества, из которых состоит окружающий нас видимый мир, ученые разделили их по сходным признакам на группы.

Громадное большинство этих веществ удалось разложить на более простые, но часть их до самого последнего времени никак не поддавалась такому разложению, и им приписывалась абсолютная элементарность состава. Считалось, что все металлы и часть неметаллов являются теми "кирпичами мироздания", из которых построена вселенная.

Однако, с 1919 года, когда одному английскому ученому удалось доказать сложность состава азота^*, наше представление о делении веществ на простые и сложные значительно изменилось.

^* (Азот в количестве 4/5 по объему входит в состав воздуха, являющегося смесью азота с 1/5 частью (приблизительно) кислорода и ничтожными количествами других газов.)

К этому делению я еще вернусь в дальнейшем, а пока укажу, что среди веществ, заведомо сложных, выделяются три группы, имеющие особо важное значение для прикладной химии: кислоты, основания и соли.

Народная фантазия представляла Землю стоящей на трех китах. Наука давно освободила китов от этой непосильной для них задачи и предоставила Земле свободно нестись в мировом пространстве.

"Три кита химии", напротив, все еще несут свою службу, поддерживая стройную систему классификации веществ.

Из кислот вы, вероятно, ближе всего знакомы с уксусной, которой столовый уксус обязан своим вкусом. Возможно, что слыхали и о других кислотах пищевых веществ: молочной, яблочной, лимонной и пр. Из минеральных кислот, вероятно, знаете серную, а может быть еще азотную и соляную.

Растворимые кислоты окрашивают раствор лакмуса (растительной краски, добываемой из некоторых лишаев) или пропитанную ими бумажку в красный цвет. Все они содержат в своем составе элементы неметаллического характера (так называемые металлоиды).

Определять, что такое основания, пока не буду; я объясню вам это понятие несколько позже. Пока удовольствуемся сведением, что легко растворимые в воде основания (щелочи) имеют характерный "мыльный" вкус и окрашивают лакмус в синий цвет.

Вообще, как кислоты, так и щелочи меняют цвета многих красок, и притом не одинаково. Эта способность их даст нам богатый материал для проделывания очень эффектных опытов - химических фокусов.

При соединении кислот с основаниями образуются соли. Характерным примером последних будет хорошо вам знакомая обыкновенная поваренная соль, давшая свое название этому классу соединений. Однако, не все соли солоны на вкус. Между ними есть и горькие (применяемая как лекарство сернокисломагниевая соль так и называется горькой солью), есть и сладкие (уксусно-кислосвинцовая не даром носит название свинцового сахара). Не вздумайте только пробовать их на вкус!

Все соли способны образовывать кристаллы, и многие из них не действуют на лакмусовую бумажку, - многие, но далеко не все.

Соли далеко не всегда бесцветны, как поваренная соль: многие из них окрашены. Соли могут вступать в химическое взаимодействие друг с другом, причем в некоторых случаях из растворимых солей получаются нерастворимые, из бесцветных - окрашенные, из солей одного цвета - соли другого цвета. Реакции, при этом происходящие, называются реакциями обменного разложения.

На этих свойствах солей основана целая серия поразительных опытов-"фокусов", которые я вам собираюсь показать. Но гораздо важнее то, что на тех же свойствах держится техника производства кислот и оснований, солей, красок и крашения пряжи и тканей и других химических производств.

Самая нужная кислота

Крайне благоприятным обстоятельством для развития химической промышленности является тот факт, что самая важная из всех кислот является и самой дешевой.

Это - серная кислота.

Количество серной кислоты, вырабатываемое в той или иной стране, является показателем развития в этой стране химической промышленности вообще.

Еще бы! Без серной кислоты химик "как без рук". Она необходима для получения большинства других кислот, как минеральных, так и органических, очень многих солей и других химических соединений. Она применяется для превращения древесины в газетную бумагу, для превращения крахмала в сладкую патоку, для получения многих красок и взрывчатых веществ, для очистки нефтяных продуктов, в технологии черных и цветных металлов, в коксобензольном и кожевенном производстве и в ряде других производств. И, главное, при ее посредстве получаются ценные удобрения - суперфосфаты, на что уходит почти одна треть всей вырабатываемой у нас серной кислоты.

И вот этой-то необходимейшей кислоты в царской России производилось в 10 раз меньше, чем в США.

Советская власть, приступая к созданию у нас мощной химической промышленности, в первую очередь озаботилась всемерно развить производство серной кислоты. С 250 тыс. тонн в дореволюционное время до 1800 тыс. тонн в 1937 г. - вот каков рост сернокислотного производства. Увеличение продукции более чем в 7 раз. Таких темпов капиталистическая техника не знает!

Катализаторы химических реакций

Не все реакции соединения идут так гладко, как показанное вам мною соединение хлористого водорода с аммиаком; во многих случаях вещества, могущие соединяться друг с другом, либо вовсе "не хотят" соединяться, либо соединяются крайне медленно.

В этих случаях прибегают к так называемым контактным реакциям (реакциям соприкосновения), происходящим при посредстве особых веществ - катализаторов, не входящих в состав конечного продукта реакции и остающихся по окончании реакции неизмененными.

Получение серной кислоты и является как раз примером таких контактных реакций.

Серная кислота получается соединением серного ангидрида с водой. Серный ангидрид получается, в свою очередь, присоединением атома кислорода к молекуле сернистого ангидрида.

С серой и сернистым ангидридом нам еще предстоит в дальнейшем познакомиться, а пока скажу, что сера, сгорая на воздухе, дает газообразный сернистый ангидрид, молекула которого состоит из одного атома серы и двух атомов кислорода. Серный же ангидрид - тело твердое, в молекуле которого имеется третий атом кислорода. Задача катализаторов - присоединить этот третий атом кислорода к молекуле сернистого ангидрида.

Решается она двояко: либо в свинцовую камеру вместе с сернистым ангидридом и парами воды вводят небольшое количество окислов азота, либо в камеру помещают губчатую платину. Первые отдают свой кислород сернистому ангидриду, а сами снова окисляются кислородом воздуха, вторая, сгущая на своей поверхности кислород, окисляет сернистый ангидрид в серный.

Сейчас в нашей химической промышленности широко пользуются катализаторами для получения весьма многих, преимущественно органических, соединений. Дореволюционная химическая промышленность использовать такие реакции не умела, да и самих производств, в которых они применяются, тогда не было.