Владимир Рюмин
Химические опыты
© Ю. Станишевский, илл., 2018
© Е. Шелкун, илл., 2018
© ООО «Издательство АСТ», 2018
* * *
Введение
Хотя книга не преследует учебных целей, все же я думаю, что незнакомый с химией вынесет из нее начальные понятия об этой науке; знакомый же найдет в ней указания на то, как использовать свои познания для постановки опытов в более эффектном виде. Настоящая книжка имеет в виду читателей, умеющих соблюдать осторожность в обращении с некоторыми не вполне безопасными веществами. Как следует обращаться с ними, чтобы не повредить себе и другим, указано в особом дополнении в конце настоящей книги; читатель, даже совершенно незнакомый с химическими манипуляциями, найдет там необходимые указания к их выполнению.
Владимир Владимирович Рюмин
Что такое химия
Один из героев французского писателя Мольера всю жизнь не знал, что он говорит… прозой.
Многие, впрочем, и сейчас этого не знают, как не знают и того, что всю жизнь имеют дело с химией.
«Как же, – скажут они, – мы даже не знаем, что такое химия!»
И мольеровский герой не знал, что такое проза, – потому-то и не подозревал, что он ею говорит. Кто знаком с химией, нашего утверждения опровергать не станет.
Химия – это наука о составе веществ и изменении их внутреннего строения. Веществ, а не вещей.
Вещь может быть сложной по своему устройству и простой по составу и – наоборот: с виду крайне простой, а по составу необычайно сложной.
Дверной замок – вещь. Собран он из многих отдельных частей, хитро прилаженных друг к другу; но все эти части и весь замок в целом сделаны из одного вещества – из железа. Сложная вещь по устройству, а по составу вещества – простая.
Вот как будто совсем простая вещь – полено дров. Между тем, по составу веществ, в нем заключающихся, – одна из самых сложных в мире.
Химия и занимается не самыми вещами, а теми веществами, из которых состоят вещи, минералы, растительные и животные организмы. Эти вещества могут быть химически-сложными, разлагаемыми на простые, и химически не разлагаемыми (химическими элементами). Все газообразные, жидкие и твердые вещества, хотя и кажутся сплошными, состоят из отдельных частиц (молекул). Молекулы построены из атомов. Молекулы химических элементов – из одинаковых атомов, а сложных веществ – из разных. Химия изучает строение молекул, перегруппировку в них атомов при химических реакциях (взаимодействии веществ) и явления, сопровождающие эту перегруппировку.
«Вещество», материя образует все отдельные вещества, весь окружающий нас мир. Зная это, трудно отрицать, что мы, и не будучи химиками, но всю жизнь имея дело с различными вещами, а, следовательно, и с веществами, из которых они состоят, тем самым волей-неволей имеем дело и с химией.
Вставши утром, вы подошли к умывальнику и взяли в руки кусок мыла. Вот вы уже имеете дело с химией, в виде одного из ее продуктов, и с химическим процессом – действием мыла на кожу.
Вы зажгли свечу или лампу, затопили печь, наконец, просто закурили папиросу, – опять-таки, не отдавая себе отчета, вы воспроизвели ряд химических явлений, и притом настолько интересных, что мне еще придется с вами поговорить о них подробно.
А сколько людей занято химией, чтобы доставить нам все необходимое для жизни!
Вставая утром, вы оделись и обулись. Одежда, то есть пряжа и ткань, из которой она сделана, химически побелены и окрашены, кожа ботинок выдублена и вычернена. Все это химические процессы, как и предварительное изготовление нужных для этого белящих и красящих веществ.
Кстати: знаете, откуда получается большинство современных красок? Из темно-бурой каменноугольной смолы. Сотни различных ярких, радующих наш глаз красок добывают из нее химики; и сверх того, хотя смола пахнет прескверно, из нее же получают они благовонные ароматические вещества. Та же смола дает ряд ценных лекарств, помогающих при различных болезнях, обеззараживающие вещества и материалы для изготовления убийственных ядов.
Как видите, химия – наука разносторонняя.
Одевшись и умывшись, вы садитесь пить чай, и опять перед вами дары химии.
Листочки чайного дерева не просто засушены, они предварительно провялены, подвергнуты химическому процессу брожения.
В стакан с чаем вы положили кусок-другой сахара. Кто же не знает, что он выделывается на специальных заводах, с помощью сложной химической обработки свекловичного сока?
Булка к чаю – продукт химических процессов брожения и печения теста.
Отпив чай, вы, скажем, садитесь за стол писать или рисовать – и видите, что и тут химия вместе с другими науками и техникой пришла вам на помощь, изготовив чернила, «химический» карандаш, краски и бумагу.
Химия – удивительная наука! Она научила нас познавать состав небесных тел и даже определять их возраст, она вручила нам оружие для борьбы со многими болезнями, она является основой и существом многочисленных производственных процессов. Благодаря химии и ее достижениям мы изучаем «поведение» вещества, увеличиваем количество и улучшаем качество нашей продукции.
Первым бессознательным химиком был доисторический дикарь, который зажег огонь. Быть может, это случилось много тысяч лет спустя после появления на земле человека. Но и до этого времени люди дышали и питались; значит, и до этого в их организмах, неведомо для них самих, совершались химические процессы.
В наше время без химии и без знания ее обойтись невозможно. Нет отрасли человеческой жизни, которая не имела бы прямой или косвенной связи с этой великой наукой. Колхозника она учит, как удобрять обрабатываемую им почву, воину помогает поражать врага, врачу – лечить больных, художнику – писать картины, инженеру, рабочему – выплавлять металлы, производить стекло, сахар, керосин, бумагу и тысячи других продуктов. Даже поэту она подносит чернила, чтобы он мог зафиксировать продукты своего творчества, и типографскую краску, чтобы напечатать свои стихи.
Таким образом, часто сами этого не подозревая, мы тесно связаны с химией!
Познакомимся же с ней. Но знакомство это произведем не по специальному учебнику химии, а по этой книге. Попытаемся на легких, интересных опытах узнать основы этой науки.
Будьте осторожны, проводя описанные здесь опыты. Не пробуйте никаких веществ на вкус и тщательно мойте руки после работы. Не пытайтесь преждевременно делать самостоятельные исследования: «Что, мол, у меня получится, если я вот в эту жидкость да волью той?» – или «а ну-ка растолку в ступке вот эти кристаллы с тем порошком: что из этого выйдет?» и т. п. Выйти может очень плохое дело: может выделиться ядовитый газ, может произойти взрыв. Самые невинные общеупотребительные вещества, свободно продаваемые в любой аптеке, в соединении с другими такими же, в отдельности безопасными, могут образовать новое, крайне опасное вещество.
Любознательность – качество похвальное, но в данном случае пусть у вас над нею преобладает знание и осторожность. Немало людей поплатилось за невежество своим здоровьем и даже жизнью при таких опытах «на авось». Но, конечно, берясь за химические манипуляции, нельзя быть и чрезмерно нерешительным. При осторожности и аккуратности, при соблюдении особых в каждом случае условий, никакие яды, никакие взрывчатые вещества не опасны, если с ними обращаться надлежащим образом.
Лучше всего, конечно, работать совместно с товарищами, а не в одиночку: и веселее, и интереснее, и безопаснее.
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.
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.
Превращение воды в молоко
У известного американского писателя Брет-Гарда в повести «История одной руды» есть такая сценка:
«Незнакомец обмакнул в склянку сухую былинку и стряхнул с нее каплю в воду. Вода осталась такой же чистой и прозрачной, как прежде.
– Теперь брось туда щепотку соли.
Кунго повиновался. В ту же минуту на поверхности воды показался беловатый пар, и вся вода стала молочного цвета.
– Это колдовство! – воскликнул Кунго.
– Это хлористое серебро! Неуч!»
Какая реакция описывается здесь романистом и верно ли она описана?
Следующий опыт даст вам ответ на эти вопросы.
На столе пустой стакан. Можете осмотреть его, – в нем нет ничего магического; стакан как стакан.
Два таких же стакана, наполовину налитых каждый, насколько можно судить по виду, прозрачной чистой водой, держу в правой и левой руке.
Я сливаю воду из обоих стаканов одновременно в стакан, который стоит на столе.
Чудеса! Лил воду, а стакан наполнился… молоком.
Но стоит подождать несколько минут, и иллюзия рассеивается – густой белый творожистый осадок опускается на дно стакана, а вода над осадком снова становится прозрачной.
Поэтому, если, повторяя мой опыт, вы не захотите испортить его эффект, немедленно прячьте стакан с «молоком» в стол и переходите к другим фокусам. Я же открою вам секрет превращения.
В стаканах, которые я держал в руках, была налита не вода, а прозрачные водные растворы: в одном – обыкновенной поваренной соли (хлористого натрия), в другом – ляписа (азотнокислого серебра). Имейте в виду, что ляпис ядовит, обращайтесь с ним с особенной осторожностью, в руки не берите, вынимайте его из баночки, в которой храните, пинцетом; баночка должна быть из темного стекла, так как на свету ляпис разлагается. На этом, между прочим сообщу вам, и основано его применение в фотографии. Растворять азотнокислое серебро необходимо в перегнанной (дистиллированной) воде, купленной в аптеке, так как в обыкновенной воде оно дает муть.
При сливании растворов произошла химическая реакция (взаимодействие) – соли обменялись металлами, входившими в их состав. Получились: хлористое серебро, нерастворимое в воде и вскоре осевшее в виде снежно-белого осадка, и азотнокислый натрий (селитра), оставшийся в растворе.
В последнем нетрудно убедиться, если, осторожно слив жидкость с осадка, выпарить ее в фарфоровой чашечке на спиртовой лампе. Когда вода выкипит, на дне останутся кристаллики селитры.
Маленькое замечание практического характера: оттого-то и нельзя растворять ляпис в водопроводной воде, что самая, казалось бы, чистая и на вкус совершенно пресная вода содержит всегда в растворе хотя бы следы поваренной соли. В лабораториях пользуются описанной реакцией для определения количественного содержания в воде хлористого натрия. Осадив его полностью из отмеренного количества испытуемой воды, осадок высушивают и взвешивают. Химические соединения, в отличие от простой смеси веществ, происходят лишь при наличии строго определенных весовых отношений между составляющими их веществами. Зная вес образовавшегося хлористого серебра, химик умеет вычислить, какое количество соли было в испытуемой воде.
