От водорода до …? - Таубе Петр Рейнгольдович 15 стр.

Большие количества серной кислоты требуются для свинцовых аккумуляторов.

Успехи современной химии, знаменующиеся возникновением и развитием новых областей знания, сопровождаются и повышением спроса на серную кислоту. Не случайно мировое производство серной кислоты неуклонно увеличивается, превысив к 1957 г. 30 млн. т в год.

Многие думают, что серная кислота получается только искусственно. Это неправильно. Серная кислота найдена в некоторых водах вулканического происхождения. Так, например, вода реки Рио-Винагре, или Пазамбио, берущей начало у вулкана Пураче в Кордильерах (Южная Америка), содержит до 0,1 % серной кислоты. Река ежедневно выносит в море около 20 т серной кислоты. В СССР серная кислота была открыта академиком А. Е. Ферсманом в Каракумских песках.

Если нахождение серной кислоты в природе является редкостью, ее соли — сульфаты широко распространены в природе. Из них особого упоминания заслуживает сернокислый натрий, содержащийся в морской воде или в минеральных озерах и заливах.

На дне залива Кара-Богаз-Гол в 1847 г. лейтенант И. А. Жеребцов обнаружил огромные запасы водного сульфата натрия. Название заливу — Кара-Богаз-Гол — было дано туркменскими рыбаками и в переводе означает «Залив черной пасти». В течение многих столетий вода из Каспийского моря беспрепятственно и со значительной скоростью попадала в залив через узкий и сравнительно длинный пролив. Однако уровень воды в заливе всегда оказывался ниже уровня моря. Таинственное исчезновение воды и породило представление о наличии на дне залива дыры в недра земли — «черной пасти». На самом деле исчезновение воды объясняется ее испарением. С поверхности залива, имеющей почти 18 тыс. квадратных километров, ежегодно испаряется около 18 куб. км воды. В заливе при этом остается 200–240 тыс. т различных солей, в том числе и сульфата натрия.

В истории химии сульфат натрия (он кристаллизуется с 10 молекулами воды) играл видную роль. Он был открыт и искусственно получен химиком Иоганном Глаубером, за что и назван глауберовой солью. За ряд своеобразных свойств (слабительное действие, легкость выветривания, способность давать пересыщенные растворы и др.) сульфат натрия был назван Глаубером «удивительной солью». От латинского названия этой соли («саль мирабилис») произошло и ее минералогическое название — мирабилит.

Сульфат натрия одно время в больших количествах получали искусственным путем. Французский химик Леблан использовал мирабилит, как естественный, так и искусственный, для получения соды.

Профессор Петербургской Академии Лаксман в 1764 г. при варке стекла заменил поташ глауберовой солью. Стекольная промышленность стала одним из крупнейших потребителей сульфата натрия. В настоящее время это соединение является одним из важнейших видов сырья многих отраслей промышленности.

Вопрос об использовании естественных запасов мирабилита в нашей стране был решен Советской властью. Исключительно велика роль В. И. Ленина в освоении карабогазской соли.

Другая кислота серы — сероводородная — в больших количествах содержится во многих источниках вулканических местностей. В небольших количествах она присутствует в минеральных грязях, образующихся на дне неглубоких соляных озер. Сероводородная кислота — водный раствор сероводорода — бесцветного, с характерным запахом газообразного соединения серы с водородом. Сероводород очень ядовит. Он относится к числу аккумулятивных ядов, т. е. таких, которые, постепенно накапливаясь в организме, вызывают отравление даже в тех случаях, когда их концентрация в воздухе сама по себе не должна вызывать отравлений у человека, если он не находится в этом помещении сравнительно долго.

В природе сероводород в свободном состоянии встречается в составе вулканических газов. В растворенном и отчасти в свободном состоянии сероводород содержится в Черном море, начиная с глубины 200 и более метров. В небольших количествах он образуется всюду, где происходит разложение или гниение органических веществ.

Для некоторых микроорганизмов (серобактерии) сероводород — не яд, а питательное вещество. Усваивая сероводород они выделяют свободную серу. Такие залежи образуются на дне озер северного побережья Африки, в Киренаике близ г. Бенгази.

Торжество третьего знака

В конце прошлого века техника и наука обогатились созданием ряда инструментов для определения физико-химических свойств различных элементов. Развитие науки требовало точных знаний о свойствах веществ. Поэтому, пользуясь новыми, более тонкими и чуткими приборами, физики заново измеряли температуры плавления и кипения тел, их оптические, электрические и другие свойства. В 1893 г. английский физик Джон Вильям Рэлей решил провести измерение удельных весов различных газов, в первую очередь тех, с которыми физики и химики чаще всего имели дело. Такими газами были азот, водород и кислород.

Определяя вес азота, Рэлей установил, что азот, полученный из воздуха, весит больше, чем азот, выделенный из его соединений. Так, литр «воздушного» азота весил 1,257 г, литр же азота, выделенного из соединений, весил 1,251 г. Разница была ничтожной, и начиналась она с тысячных долей грамма, с третьей цифры после запятой — 0,006. Шесть миллиграммов — столько, сколько, приблизительно, весит блоха. Но эта разница была постоянной, несмотря на различные способы выделения азота из многообразных его соединений.

Результаты своих исследований о «ненормальном» весе «воздушного» азота Рэлей опубликовал в известном английском журнале «Природа». В своей статье Рэлей обращался к ученым, читающим журнал, с просьбой объяснить весовую ненормальность «воздушного» азота. Лондонский профессор Вильям Рамзай высказал остроумную догадку. Он предположил, что «воздушный» азот весит больше потому, что в нем есть примесь какого-то тяжелого газа. Однако догадка Рамзая опровергалась данными опытных исследований. Ведь воздух неоднократно исследовался многими учеными. Состав его, казалось всем, установлен настолько точно, что невозможно было допустить в нем наличие каких-то неизвестных примесей. Все же это не помешало Рэлею и Рамзаю взять на себя труд пересмотреть работы прежних исследователей. И вот, просматривая пожелтевшие от времени рукописи Гэнри Кэвендиша, умершего более столетия назад, они неожиданно натолкнулись на описание интересного опыта, результаты которого остановили на себе внимание обоих исследователей. Опыт заключался в следующем: через дугообразно изогнутую стеклянную трубку, наполненную смесью азота с кислородом и опущенную концами в рюмки со ртутью, в течение трех недель пропускались электрические искры. Длительность опыта объяснялась тем, что источником электричества являлась электрофорная машина. Искры от нее получались слабые и проскакивали в трубке через большие промежутки времени. Продукт реакции «оранжевый дым» — окислы азота поглощались каплями щелочи, которую Кэвендиш вводил пипеткой в трубку. Когда ртуть заполнила всю трубку и азот с кислородом полностью, перейдя в «оранжевый дым», растворились в щелочи, опыт был закончен. Однако, присмотревшись внимательно, Кэвендиш заметил над ртутью и щелочью маленький пузырек газа. Несмотря на длительное пропускание электрических искр он так и не превратился в «оранжевый дым».

Кэвендиш был весьма странным человеком. Предание сохранило память о Кэвендише как о довольно большом чудаке. Он был сказочно богат, нелюдим, молчалив и всю жизнь занимался научными исследованиями. Несмотря на то, что он сделал ряд замечательных открытий, ученый никогда никому о них не рассказывал и почти никогда не публиковал своих работ. Странности его носили анекдотический характер. Рассказывали, что его огромной научной библиотекой мог пользоваться всякий, кто оставлял расписку в том, что такой-то такого-то числа взял книгу в библиотеке Кэвендиша. Исключения из этого правила Кэвендиш не делал и для себя. Кэвендиш был очень аккуратным человеком. Точнейшим образом записав в журнал опыт, он не забыл упомянуть и о крошечном пузырьке газа, который, несмотря на все старания Кэвендиша, так и не удалось превратить в «оранжевый дым». Так в записях этого чудака, сказочного богача и выдающегося ученого своего времени Рэлей и Рамзай нашли указания на то, что «…в нашей атмосфере содержится … часть воздуха, которая отличается от всего остального и … что она не больше одной 125 части его».

Наткнувшись на эту замечательную запись, Рэлей решил повторить опыт Кэвендиша, но только в большем масштабе. Он воспользовался для получения электричества высоковольтным генератором. Несколько часов пронизывали искры смесь азота и кислорода. Когда соединение азота с кислородом было растворено в едком натре, Рэлей обнаружил в баллоне какой-то газ, очевидно, тот самый, который сто лет назад нашел Кэвендиш и который утяжелял «воздушный» азот.

Рамзай поступил иначе. Он воспользовался способностью азота легко соединяться с накаленным магнием. Получив несколько литров азота из воздуха, Рамзай в течение десяти суток пропускал его через трубку с нагретым докрасна магнием. Весь азот соединился с раскаленным магнием. Весь, кроме небольшого объема неизвестного газа, который ни при каких условиях не соединялся с магнием.

Так, идя разными путями, Рэлей и Рамзай пришли к одной цели. Неизвестный газ, входящий в состав воздуха, был выделен. Он отличался полной неспособностью к соединению с другими веществами, т. е. инертностью. Ни разрушающий фтор, ни жадный к соединению хлор, ни активные металлы — натрий, калий, ни другие элементы не могли соединиться с новым газом при всех доступных условиях. От греческого слова «аргос», что значит «ленивый» («а» — отрицание, «эргон» — дело), Рэлей и Рамзай назвали новый газ аргоном.

Существование, свойства и местонахождение химически инертных элементов было предсказано на основе закона Менделеева за 20 лет до открытия аргона русским революционером-народовольцем Н. А. Морозовым.

В августе 1894 г. на съезде физиков, химиков и естествоиспытателей в старинном университетском городе Оксфорде Рэлей сделал доклад о новом газе. «В каждом кубометре воздуха содержится около пятнадцати граммов аргона. В зале, в котором заседает съезд … содержится несколько пудов аргона», — утверждал в своем докладе Рэлей. Открытие аргона явилось победой точности, победой и торжеством третьей значащей цифры после запятой. Аргон вскоре оказался очень доступным и дешевым. Как известно, получение синтетического аммиака основано на реакции соединения водорода и азота; водород получают из генераторного газа или воды, азот — из воздуха. Но если из воздуха удалить кислород, водяные пары и углекислый газ, то останется азот в смеси с аргоном. Что же останется, когда азот соединится с водородом и образуется аммиак? Очевидно, аргон. Таким образом, аргон является «отходом» производства и притом в значительных количествах. На тонну аммиака нужно около тысячи кубометров азота, который получают из воздуха. В смеси с азотом будет около десяти кубометров аргона. Ведь в каждом кубометре воздуха содержится 9,3 л аргона, а он-то в реакциях синтеза не участвует. Аргон — недеятельный газ, он используется для защиты веществ от воздуха, водяных паров и некоторых других газов. Аргон — хороший панцирь от подобных «опасностей». Например, при разливке расплавленного магния, который на воздухе немедленно загорается, можно использовать аргон. В некоторых производствах аргон просто незаменим, особенно там, где кислород разрушает продукцию, а азот нежелателен из-за способности поддерживать жизнь бактерий.