Лекция v кислород содержится в воздухе. природа атмосферы. ее свойства. другие продукты горения свечи. углекислота, ее свойства. история свечи
ЛЕКЦИЯ V
КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА
Мы уже убедились, что водород и кислород можно получить из воды, полученной нами при горении свечи. Вы знаете, что водород берется из свечи, а кислород, вы полагаете, берется из воздуха. Но в таком случае вы вправе спросить меня: «Почему же получается, что воздух и кислород не одинаково хорошо сжигают свечу?» Если у вас свежо в памяти, что произошло, когда я накрыл огарок банкой с кислородом, вы припомните, что тут горение шло совсем иначе, чем в воздухе. Так в чем же дело? Это очень существенный вопрос, и я приложу все старания, чтобы вы в нем разобрались; он непосредственно связан с вопросом о природе атмосферы и поэтому для нас чрезвычайно важен.
Мы располагаем несколькими способами распознавания кислорода, помимо простого сжигания в нем тех или иных веществ. Вы видели, как горит свеча в кислороде и как на воздухе; вы видели, как горит фосфор на воздухе и как в кислороде; вы видели, как горит в кислороде железо. Но, кроме этих способов распознавания кислорода, есть и другие, и я разберу некоторые из них, чтобы расширить ваш опыт и ваши знания. Вот, например, сосуд с кислородом. Я вам докажу присутствие этого газа. Я возьму тлеющую лучинку и опущу ее в кислород. Вы из прошлой беседы уже знаете, что произойдет: тлеющая лучинка, опущенная в банку, покажет вам, есть ли в ней кислород или нет. Есть! Мы это доказали горением.
А вот и другой способ распознавания кислорода, очень интересный и полезный. Здесь у меня две банки, каждая из которых наполнена газом. Они разобщены пластинкой, чтобы эти газы не смешивались. Я убираю пластинку, и начинается перемешивание газов: каждый газ как бы вползает в банку, где находится другой. «Так что же тут происходит? — спросите вы. — Они вместе не дают такого горения, какое мы наблюдали у свечи». Но вот взгляните, как присутствие кислорода можно распознать по его соединению с этим вторым веществом.[27]
Какой великолепно окрашенный газ получился. Он сигнализирует мне о присутствии кислорода. Тот же опыт можно проделать и путем смешения этого пробного газа с обыкновенным воздухом. Вот банка с воздухом — таким, в котором стала бы гореть свеча, — а вот банка с этим пробным газом. Я даю им возможность смешиваться над водой, и вот результат: содержимое испытательной банки втекает в банку с воздухом, и вы видите, что происходит точно такая же реакция. Это доказывает, что в воздухе есть кислород, т. е. то самое вещество, которое мы уже добывали из воды, полученной при сгорании свечи.
Но все-таки почему же свеча не так хорошо горит в воздухе, как в кислороде? Сейчас мы к этому перейдем. Вот у меня две банки; они наполнены газом до одинакового уровня, и на вид они одинаковы. По правде говоря, я сейчас даже не знаю, которая из этих банок содержит кислород, а которая — воздух, хотя мне известно, что их заранее наполнили именно этими газами. Но у нас есть пробный газ, и я сейчас выясню, есть ли между содержимым обеих банок какая-либо разница в способности вызывать покраснение этого газа. Я впускаю пробный газ в одну из банок. Следите, что происходит. Как видите, покраснение есть, — стало быть, здесь кислород. Испытаем теперь вторую банку. Как видите, покраснение не так отчетливо, как в первой банке.
Далее происходит любопытнейшая вещь: если смесь двух газов во второй банке хорошенько взболтать с водой, красный газ поглотится; если впустить еще порцию испытательного газа и опять взболтать банку, поглощение красного газа повторится; и так можно продолжать, пока будет оставаться кислород, без которого невозможно это явление. Если я впущу воздух, дело не изменится; но как только я введу воду, красный газ исчезнет; и я могу продолжать, таким образом, впускать все больше и больше испытательного газа, пока у меня в банке не останется нечто такое, что уже не будет окрашиваться от прибавления того вещества, которое окрашивало воздух и кислород. В чем же дело? Вы понимаете, что в воздухе, кроме кислорода, содержится еще что-то, и оно-то и остается в остатке. Сейчас я впущу в банку еще немного воздуха, и если он покраснеет, вы будете знать, что там еще оставалось какое-то количество красящего газа и что, стало быть, не его нехваткой объясняется то, что воздух израсходовался не весь.
Это поможет вам понять то, что я теперь скажу. Вы видели, что когда я сжег фосфор в банке, и получившийся из фосфора и кислорода дым осел, изрядное количество газа осталось неизрасходованным, подобно тому как наш пробный газ оставил что-то незатронутым. И действительно, после реакции остался вот этот газ, который не изменяется ни от фосфора, ни от красящего газа. Этот газ — не кислород, но, однако, это составная часть атмосферы.
Таков один способ разделения воздуха на те два вещества, из которых он состоит, т. е. на кислород, сжигающий наши свечи, фосфор и все прочее, и на вот это другое вещество — азот, в котором они не горят. Этой второй составной части в воздухе гораздо больше, чем кислорода.
Этот газ оказывается очень интересным веществом, если заняться его исследованием, но вы, может быть, скажете, что он совсем не интересный. В некоторых отношениях это так: ведь он не проявляет никаких блестящих эффектов горения. Если его испытывать зажженной лучинкой, как я испытывал кислород и водород, то он не будет ни сам гореть, как водород, ни заставлять гореть лучинку, подобно кислороду. Как бы я его ни испытывал, я не смогу от него добиться ни того, ни другого: он и не загорается и не дает гореть лучинке — он гасит горение любого вещества. При обычных условиях ничто не может в нем гореть. У него нет ни запаха, ни вкуса; это не кислота и не щелочь; по отношению ко всем нашим внешним чувствам он проявляет полное безразличие. И вы могли бы сказать: «Это ничто, оно не заслуживает внимания химии; чего ради оно существует в воздухе?»
И тут-то нам пригодится умение делать выводы из опыта. Предположим, что вместо азота или смеси азота с кислородом, наша атмосфера состояла бы из чистого кислорода, — что бы с нами сталось? Вы прекрасно знаете, что кусок железа, зажженный в банке с кислородом, сгорает дотла. При виде топящегося камина вообразите, что сталось бы с его решеткой, если бы вся атмосфера состояла из одного только кислорода: чугунная решетка стала бы гореть куда сильнее, чем каменный уголь, которым мы топим камин. Огонь в топке паровоза — это было бы все равно, что огонь на складе горючего, если бы атмосфера состояла из кислорода.
Азот разбавляет кислород, умеряет его действие и делает его полезным для нас. К тому же азот уносит с собой весь тот чад и газы, которые, как вы видели, возникают при горении свечи, рассеивает их по всей атмосфере и переносит их туда, где они оказываются нужны для поддержания жизни растений, а тем самым и человека. Таким образом, азот выполняет в высшей степени важную работу, хотя вы, ознакомившись с ним, говорите: «Ну, это совсем никчемная штука».
В своем обычном состоянии азот представляет собой неактивный элемент: никакое воздействие, кроме сильнейшего электрического разряда, да и то только в очень слабой степени, не может заставить азот непосредственно вступить в соединение с другим элементом атмосферы или с иными окружающими веществами. Это вещество совершенно индифферентное, т. е., иначе говоря, безразличное, — а тем самым и безопасное.
Но прежде чем подвести вас к этому выводу, я должен сперва кое-что рассказать вам о самой атмосфере. Вот таблица, показывающая процентный состав атмосферного воздуха:
по объему по массе
Кислород. . . . 20 22,3
Азот . . . . . 80 77,7
__________________________
100 100,0
по объему
по массе
Кислород
20
22,3
Азот
80
77.7
100100
Она правильно отражает относительные количества кислорода и азота в атмосфере. Отсюда мы видим, что в пяти пинтах воздуха содержится всего одна пинта кислорода на четыре пинты азота; иначе говоря, по объему азот составляет 4/5 атмосферного воздуха. Все это количество азота уходит на то, чтобы разбавить кислород и смягчить его действие; в результате и свеча надлежащим образом снабжается горючим и наши легкие могут дышать воздухом без вреда для здоровья. Ведь для нас не менее важно получать кислород для дыхания в надлежащем виде, чем иметь соответствующий состав атмосферы для горения угля в камине или свечи.
Теперь я сообщу вам массы этих газов. Пинта азота имеет массу 10 4/10 грана, а кубический фут — 1 1/6 унции. Такова масса азота. Кислород тяжелее: пинта его имеет массу 11 9/10 грана, а кубический фут — 1 1/5 унции.
Вы уже несколько раз задавали мне вопрос: «Как определяют массу газов?», и я очень рад, что этот вопрос вас заинтересовал. Сейчас я вам покажу, это дело очень простое и легкое. Вот весы, а вот медная бутылка, аккуратно выточенная на токарном станке и при всей своей прочности имеющая наименьшую возможную массу. Она совершенно непроницаема для воздуха и снабжена краном. Сейчас кран открыт, и поэтому бутылка наполнена воздухом. Весы эти очень точные, и бутылка в ее теперешнем состоянии уравновешена на них гирями на другой чашке. А вот и насос, при помощи которого мы можем нагнетать воздух в эту бутылку.
Рис. 25.
Сейчас мы накачаем в нее известное количество воздуха, объем которого будет измеряться емкостью насоса. (Накачивается двадцать таких объемов.) Теперь мы закроем кран и положим бутылку обратно на весы. Смотрите, как чашка весов опустилась: бутылка стала гораздо тяжелее, чем прежде. Емкость бутылки у нас не изменилась, — значит, воздух в том же объеме стал тяжелее. Благодаря чему? Благодаря тому воздуху, который мы в нее накачали насосом. вдобавок к имевшемуся воздуху.
Сейчас мы выпустим воздух вот в ту банку и предоставим ему возможность вернуться в прежнее состояние. Все, что мне для этого нужно сделать, сводится к тому, чтобы плотно соединить медную бутылку с банкой и открыть краны, — и вот вы видите, у нас тут собран весь тот объем воздуха, который я только что накачал в бутылку двадцатью взмахами насоса. Чтобы удостовериться, что у нас по ходу этого опыта не произошло никакой ошибки, мы опять положим бутылку на весы. Если она теперь снова окажется уравновешена первоначальной нагрузкой, мы сможем быть совершенно уверены, что мы правильно проделали опыт. Да, она уравновесилась. Вот таким образом мы и можем узнать массу тех добавочных порций воздуха, которые мы в нее накачивали. Так можно установить, что кубический фут воздуха имеет массу 1 1/5 унции.
Рис. 26.
Но этот скромный опыт никак не сможет довести до вашего сознания всю сущность полученного результата. Поразительно, насколько цифры возрастают, когда мы переходим к более крупным объемам. Вот такое количество воздуха (кубический фут) имеет массу 1 1/5 унции. А как вы думаете, какова масса воздуха вон в том ящике наверху (я его специально заказывал для этих расчетов)? Воздух в нем имеет массу целый фунт. Массу воздуха в этом зале я вычислил, но эту цифру вы вряд ли угадали бы: это больше тонны. Вот как быстро возрастают массы, и вот как важно присутствие атмосферы и содержащихся в ней кислорода и азота, а также работа, которую она производит, перемещая предметы с места на место и унося вредные испарения.
Дав вам эти несколько примеров, относящихся к весомости воздуха, я перейду теперь к показу некоторых следствий из этого факта. Вам обязательно надо с ними познакомиться, иначе вам многое останется неясным. Помните ли вы такой опыт? Случалось ли вам когда-нибудь его видеть? Для него берется насос, несколько, похожий на тот, которым я только что накачивал воздух в медную бутылку.
Рис. 27.
Его нужно расположить так, чтобы я мог наложить ладонь на его отверстие. В воздухе моя рука передвигается так легко, как будто она не чувствует никакого сопротивления. Как бы я ни двигался, мне почти не удается добиться такой скорости, чтобы я ощутил большое сопротивление воздуха этому движений). Но когда я кладу руку сюда (на цилиндр воздушного насоса, из которого затем выкачивается воздух), вы видите, что происходит. Почему моя ладонь пристала к этому месту так плотно, что за ней передвигается и весь насос? Смотрите! Почему мне еле-еле удается освободить руку? В чем дело? Дело в весе воздуха — того воздуха, который надо мной.
А вот и другой опыт, который, я думаю, поможет вам еще лучше разобраться в этом вопросе. Верх этой банки затянут бычьим пузырем, и когда из нее будет выкачиваться воздух, вы увидите в несколько измененном виде тот же эффект, что и в предыдущем опыте. Сейчас верх совершенно плоский, но стоит мне сделать хотя бы очень слабое движение насосом, и поглядите, как пузырь опустился, как он прогнулся внутрь. Вы сейчас увидите, как пузырь будет втягиваться все больше и больше внутрь банки, пока, наконец, он не будет окончательно вдавлен и прорван силой давящей нa него атмосферы. (Пузырь лопнул с громким хлопком.) Так вот, это произошло всецело от силы, с которой воздух давил на пузырь, и вам нетрудно будет понять, как тут обстоит дело.
Рис. 28.
Посмотрите на этот столбик из пяти кубиков: таким же образом расположены друг над другом и частицы, нагроможденные в атмосфере. Вам вполне понятно, что четыре верхних кубика покоятся на пятом, нижнем, и что если я его выну, все остальные опустятся. Так же обстоит дело и в атмосфере: верхние слои воздуха поддерживаются нижними, а когда из-под них выкачивается воздух, происходят изменения, которые вы наблюдали, когда моя ладонь лежала на цилиндре насоса и в опыте с бычьим пузырем, а сейчас увидите еще лучше.
Эту банку я завязал резиновой. перепонкой. Сейчас я буду выкачивать из нее воздух, а вы следите за резиной, отделяющей воздух внизу от воздуха наверху. Вы увидите, как будет проявляться атмосферное давление по мере выкачивания воздуха из банки. Смотрите, как втягивается резина — ведь я могу даже руку опустить в банку, — и все это только в результате мощного, колоссального воздействия воздуха над нами. Как четко проявляется здесь этот интересный факт!
После конца сегодняшней лекции вы сможете помериться силами, пытаясь разнять вот этот прибор. Он состоит из двух полых медных полушарий, плотно пригнанных друг к другу и снабженных трубкой с краном для выкачивания воздуха. Пока внутри имеется воздух, полушария легко разнимаются; однако вы убедитесь, что, когда мы выкачиваем воздух через эту трубку с краном и вы будете их тянуть — один в одну сторону, другой в другую, — никому из вас не удастся разнять полушария. Каждому квадратному дюйму площади сечения этого сосуда, когда воздух выкачан, приходится выдерживать около пятнадцати фунтов. Потом я предоставлю вам возможность испытать свои силы — попробуйте преодолеть это давление воздуха.
Вот еще интересная вещица — присоска, забава мальчиков, но только усовершенствованная для научных целей. Ведь у вас, у молодежи, полное право использовать игрушки для целей науки, тем более, что по нынешним временам из науки стали делать забаву. Вот присоска, только она не кожаная, а резиновая. Я пришлепываю ее к поверхности стола, и вы сразу видите, что она к нему прочно прилипла. А почему она так держится? Ее можно передвигать, она легко скользит с места на место, — но, как ни старайся ее поднять, она, пожалуй, скорее стол за собой потянет, чем оторвется от него. Снять ее со стола удается только тогда, когда ее сдвинешь к самому краю, чтобы впустить под нее воздух. Прижимает ее к поверхности стола только давление воздуха над ней. Вот и еще одна присоска — прижимаем их друг к другу, и вы увидите, как прочно они пристанут. Мы можем употребить их, так сказать, и по прямому назначению, т. е. прилепить к окнам и стенам, где они продержатся несколько часов и пригодятся на то, чтобы на них вешать какие-нибудь предметы.
Однако мне надо показать вам не только игрушки, но и опыты, которые вы сможете повторить дома. Наглядно доказать существование атмосферного давления можно таким изящным опытом. Вот стакан воды. Что, если я попрошу вас ухитриться так опрокинуть его вверх дном, чтобы вода при этом не пролилась? И не потому, что вы подставите руку, а исключительно благодаря атмосферному давлению.
Возьмите рюмку, налитую водой до краев или до половины, и прикройте ее какой-нибудь картонкой; опрокиньте ее и посмотрите, что произойдет с картонкой и с водой. Воздух не сможет проникнуть в рюмку, так как его не впустит вода из-за капиллярного притяжения к краям рюмки.
Я думаю, что все это даст вам правильное представление о том, что воздух — это не пустота, а нечто вещественное. Узнав от меня, что вон тот ящик вмещает фунт воздуха, а этот зал — больше тонны, вы поверите, что воздух — это не просто пустота.
Проделаем еще один опыт, чтобы убедить вас в том, что воздух действительно может оказывать сопротивление. Вы ведь знаете, какое великолепное духовое ружье можно легко устроить из гусиного пера, или трубочки, или чего-нибудь в этом роде. Взяв ломтик яблока или картофеля, надо вырезать из него маленький кусочек под размер трубки — вот так — и протолкнуть его насквозь до самого конца, как поршень. Вставив вторую пробку, мы изолируем воздух в трубке полностью. И теперь окажется, что протолкнуть вторую пробку вплотную к первой совершенно невозможно. Сжать воздух до некоторой степени можно, но если мы будем продолжать давить на вторую пробку, то она еще не успеет приблизиться к первой, как сжатый воздух вытолкнет ту из трубки, и притом с силой, напоминающей действие пороха — ведь оно тоже связано с той причиной, которую мы здесь наблюдали.
На днях я видел опыт, который мне очень понравился, так как он может быть использован, на наших занятиях. (Прежде чем к нему приступить, мне бы следовало минут пять помолчать, так как успех этого опыта зависит от моих легких.) Я надеюсь, что мне удастся силой своего дыхания, т. е. надлежащим применением воздуха, поднять яйцо, стоящее в одной рюмке, и перебросить его в другую. За успех я не ручаюсь: ведь я сейчас слишком долго говорил. (Лектор успешно проделывает опыт.) Воздух, который я выдуваю, проходит между яйцом и стенкой рюмки; под яйцом возникает напор воздуха, который оказывается в состоянии поднять тяжелый предмет: ведь для воздуха яйцо — это действительно тяжелый предмет. Во всяком случае, если вы захотите сами проделать этот опыт, лучше возьмите крутое яйцо, и тогда можно будет без риска попытаться осторожно переместить его из одной рюмки в другую силой своего дыхания.
Хотя мы изрядно долго задержались на вопросе о массе воздуха, мне хотелось бы упомянуть еще об одном его свойстве. В опыте с духовым ружьем вы убедились, что прежде чем вылетела первая картофельная пробка, мне удалось вдвинуть вторую на полдюйма или даже больше. А это зависит от замечательного свойства воздуха — от его упругости. С ней вы можете познакомиться на следующем опыте.
Возьмем оболочку, непроницаемую для воздуха, но способную растягиваться и сжиматься, а тем самым и давать нам возможность судить об упругости воздуха, содержащегося в ней. Сейчас в ней воздуха немного, и мы плотно завяжем горлышко, чтобы он не мог сообщаться с окружающим воздухом. До сих пор мы все делали так, чтобы показать давление атмосферы на поверхность предметов, а теперь, наоборот, мы избавимся от атмосферного давления. Для этого мы поместим нашу оболочку под колокол воздушного насоса, из-под которого мы будем выкачивать воздух. На ваших глазах эта оболочка расправится, надуется, как воздушный шар, и будет становиться все больше и больше, пока не заполнит собой весь колокол. Но как только я опять открою наружному воздуху доступ в колокол, наш шар сейчас же опадет. Вот вам наглядное доказательство этого удивительного свойства воздуха — его упругости, т. е. чрезвычайно большой способности сжиматься и расширяться. Это свойство имеет очень существенное значение и во многом определяет роль воздуха в природе.
Перейдем теперь к другому весьма важному разделу нашей темы. Припомните, что, когда мы занимались горением свечи, мы выяснили, что при этом образуются различные продукты горения. В числе этих продуктов — сажа, вода и еще что-то, до сих пор еще не исследованное нами. Воду мы собирали, а другим веществам предоставляли рассеиваться в воздухе. Займемся теперь исследованием некоторых из этих продуктов.
Рис. 29.
В этом деле нам поможет, в частности, следующий опыт. Вот здесь мы поставим горящую свечу и накроем ее стеклянным колпаком с отводной трубкой наверху… Свеча будет продолжать гореть, так как воздух свободно проходит внизу и наверху. Прежде всего вы видите, что колпак делается влажным; вы уже знаете, в чем тут дело: это вода, получившаяся при горении свечи от действия воздуха на водород. Но, помимо этого, что-то выходит из отводной трубки наверху; это не водяной пар, это не вода, это вещество не конденсируется, и к тому же оно отличается особенными свойствами. Вы видите, что струе, выходящей из трубки, почти удается погасить огонек, который я к нему подношу; если я буду держать зажженную лучинку прямо в выходящей струе, она совсем погаснет. «Это в порядке вещей», — скажете вы; очевидно, это потому вас не удивляет, что азот не поддерживает горения и должен гасить пламя, раз свеча в нем ни горит. Но разве тут нет ничего, кроме азота?
Здесь мне придется забежать вперед: на основе имеющихся у меня знаний я постараюсь вооружить вас научными методами исследования таких газов и выяснения этих вопросов вообще.
Возьмем пустую банку и будем держать ее над, отводной трубкой, чтобы в ней собирались продукты горения свечи. Нам нетрудно будет обнаружить, что в этой банке собрался не просто воздух, а газ, обладающий еще и другими свойствами. Для этого я беру немного негашеной извести, заливаю ее самой обыкновенной водой и хорошенько размешиваю. Вложив в воронку кружок фильтровальной бумаги, я фильтрую через нее эту смесь, и в подставленную колбу стекает чистая, прозрачная вода. Такой воды у меня сколько угодно в другом сосуде, но для убедительности я предпочитаю употреблять в дальнейших опытах именно ту известковую воду, которая приготовлена на ваших глазах.
Если налить немного этой чистой, прозрачной воды в ту банку, куда мы собрали газ, идущий от горящей свечи, вы сейчас же увидите, как произойдет перемена… Видите, вода совсем побелела! Обратите внимание, что от обыкновенного воздуха это не получится. Вот сосуд с воздухом; я в него наливаю известковой воды, но ни кислород, ни азот и ничто другое, присутствующее в этом количестве воздуха, не вызовет никаких перемен в известковой воде; как бы мы ее ни взбалтывали вместе с тем обыкновенным воздухом, который содержится в этом сосуде, она остается совершенно прозрачной. Однако если взять эту колбу с известковой водой и обеспечить ей соприкосновение со всей массой продуктов горения свечи, она быстро приобретет молочно-белый оттенок.
Это белое, похожее на мел вещество в воде, состоит из извести, которую мы взяли для приготовления известковой воды, в соединении с чем-то, появившимся из свечи, т. е. как раз с тем продуктом, который мы пытаемся уловить и о котором я сегодня буду вам рассказывать. Это вещество становится для нас видимым благодаря его реакции на известковую воду, где проявляется его отличие от кислорода, азота, от водяного пара; это — новое для нас вещество, получаемое из свечи. Поэтому, чтобы как следует разобраться в горении свечи, нам следует еще узнать, как и из чего получается этот белый порошок. Можно доказать, что это действительно мел; если положить в реторту влажный мел и раскалить его докрасна, из него выделится как раз то самое вещество, что и из горящей свечи.
Существует и другой, лучший способ получения этого вещества, и притом в больших количествах, если хотят выяснить, каковы его основные свойства. Это вещество, оказывается, в изобилии есть там, где вам не пришло бы в голову подозревать его присутствие. Этот газ, выделяющийся при горении свечи и называемый углекислым газом, в огромных количествах содержится во всех известняках, в мелу, в раковинах, в кораллах. Это интересная составная часть воздуха находится в связанном виде во всех этих камнях; обнаружив это вещество в таких горных породах, как мрамор, мел и т. п., химик д-р Блэк[28] назвал его «связанным воздухом», так как оно находится уже не в газообразном состоянии, а вошло в состав твердого тела.
Этот газ легко получить из мрамора. На дне вот этой банки немного соляной кислоты; горящая лучинка, опущенная в банку, покажет, что в ней до самого дна нет ничего, кроме обыкновенного воздуха. Вот кусочки мрамора — прекрасного высокосортного мрамора; я их бросаю в банку с кислотой и получается нечто вроде бурного кипения. Однако выделяется при этом не водяной пар, а какой-то газ; и если я сейчас испытаю содержимое банки горящей лучинкой, я получу точно такой же результат, как от газа, выходившего из отводной трубки над горящей свечой. Не только действие здесь то же самое, но и вызвано оно точно таким же веществом, какое выделялось из свечи; этим способом мы можем получать углекислый газ в больших количествах: ведь сейчас наша банка уже почти наполнилась.
Мы можем также убедиться, что этот газ содержится не только в мраморе.
Вот большая банка с водой, в которую я насыпал мелу (такого сорта, какой можно найти в продаже для штукатурных работ, т. е. промытого в воде и очищенного от грубых частиц).
Вот крепкая серная кислота; именно эта кислота нам потребуется, если вы дома захотите повторить наши опыты (обратите внимание на то, что при действии этой кислоты на известняк и подобные породы получается нерастворимый осадок, тогда как соляная кислота дает вещество растворимое, от которого вода так не густеет).
Вас может заинтересовать вопрос, почему я проделываю этот опыт в такой посуде. Для того чтобы вы могли повторить в небольшом масштабе то, что я здесь делаю в крупном. Здесь вы увидите то же явление, что и раньше: в этой большой банке я добываю углекислый газ, по своей природе и свойствам одинаковый с тем, который получался у нас при горении свечи в атмосферном воздухе. И как бы ни различались между собой эти два способа получения углекислого газа, вы к концу нашего исследования убедитесь, что он оказывается во всех отношениях одинаков, независимо от способа получения.
Перейдем к следующему опыту для выяснения природы этого газа. Вот здесь полная банка этого газа — испытаем его горением, т. е. так, как мы уже испытывали целый ряд других газов. Как видите, он и сам не горит и не поддерживает горения. Далее, растворимость его в воде незначительна: ведь, как вы видели, его легко собирать над водой. Кроме того, вы знаете, что он дает характерную реакцию с известковой водой, которая от него белеет; и наконец, углекислый газ входит как одна из составных частей в углекислую известь, т. е. известняк.
Теперь я покажу вам, что углекислый газ все-таки растворяется в воде, хоть и незначительно, и в этом отношении, стало быть, отличается от кислорода и водорода. Вот прибор для получения такого раствора. В нижней части этого прибора находятся мрамор и кислота, а в верхней — холодная вода. Клапаны устроены так, чтобы газ мог проходить из нижней части сосуда в верхнюю. Сейчас я пущу мой аппарат в действие… Видите, как сквозь воду поднимаются пузырьки газа. Аппарат работал у нас со вчерашнего вечера, и мы, несомненно, обнаружим, что сколько-нибудь газа уже успело раствориться. Я открываю кран, отливаю этой воды в стакан и пробую ее на вкус. Да, она кисловатая — в ней есть углекислота. Если ее слить с известковой водой, получится характерное побеление, доказывающее присутствие углекислоты.
Углекислый газ — очень тяжелый, он тяжелее атмосферного воздуха. В таблице приводятся массы углекислого газа и некоторых других газов, которые мы с вами исследовали.
Пинта Кубич. фут
(граны) (унции)
Водород . . . . 3/4 1/12
Кислород . . . . 11 9/10 1 1/3
Азот . . . . . . 10 4/10 1 1/6
Воздух . . . . . 10 7/10 1 1/5
Углекислый газ . 16 1/3 1 9/10
Пинта
Кубич. фут
(граны)
(унции)
Водород
3/4
1/12
Кислород
11 9/10
1 1/3
Азот
10 4/10
1 1/6
Воздух
10 7/10
1 1/5
Углекислый газ
16 1/3
1 9/10
Тяжесть углекислого газа можно показать на целом ряде опытов. Прежде всего возьмем, например, высокий стакан, в котором нет ничего, кроме воздуха, и попытаемся налить в него немного углекислого газа из этого сосуда. По виду нельзя судить, удалось ли мне это или нет; но у нас есть способ проверки (опускает в стакан горящую свечку, она гаснет). Вот видите, газ действительно перелился сюда. И если бы я испытал его известковой водой, это испытание дало бы тот же результат. У нас получился как бы колодец с углекислым газом на дне (к сожалению, с такими колодцами иногда приходится иметь дело в действительности); опустим в него вот это миниатюрное ведерко. Если на дне сосуда есть углекислый газ, его можно зачерпнуть этим ведерком и извлечь из «колодца». Сделаем проверку лучинкой… Да, смотрите, ведерко полно углекислого газа.
Рис. 30.
Вот еще один опыт, показывающий, что углекислый газ тяжелее воздуха. На весах уравновешена банка; сейчас в ней только воздух. Когда я в нее наливаю углекислый газ, она сразу же опускается от веса газа. Если я исследую банку горящей лучинкой, вы убедитесь, что туда действительно попал углекислый газ: содержимое банки не может поддерживать горение.
Рис. 31.
Если я надую мыльный пузырь своим дыханием, т. е., конечно, воздухом, и сброшу его в эту банку с углекислым газом, он не упадет на дно. Но сперва я возьму вот такой шарик, надутый воздухом, и при его посредстве проверю, где приблизительно приходится уровень углекислого газа в этой банке. Вот видите, шарик не падает на дно; я подливаю в банку углекислого газа, и шарик поднимается выше. Теперь посмотрим, удастся ли мне, надув мыльный пузырь, заставить его таким же образов держаться во взвешенном состоянии. (Лектор надувает мыльный пузырь и сбрасывает его в банку в углекислым газом, где пузырь и остается во взвешенном состоянии.) Видите, мыльный пузырь, как и воздушный шарик, держится на поверхности углекислого газа именно потому, что этот газ тяжелее воздуха,
Итак, вы ознакомились, во-первых, с тем, что при горении свечи получается углекислый газ, и, во-вторых, с его физическими свойствами и массой. В следующий раз я покажу вам, из чего он состоит и откуда берутся его составные части.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Состав атмосферы
Атмосфера – это воздушная оболочка Земли. Простирающаяся вверх на 3000 км от земной поверхности. Ее следы прослеживаются до высоты до 10 000 км. А. имеет неравномерную плотности 50 5 ее массы сосредоточены до
p15=»#unknown1″ xmlns=»#unknown»>5 км, 75 % – до 10 км, 90 % до 16 км.
См. статью: Словарь. Состав и строение атмосферы.
Атмосфера состоит из воздуха – механической смеси нескольких газов.
Азот (78 %) в атмосфере играет роль разбавителя кислорода, регулируя темп окисления, а, следовательно, скорость и напряженность биологических процессов. Азот – главный элемент земной атмосферы, который непрерывно обменивается с живым веществом биосферы, причем составными частями последнего служат соединения азота (аминокислоты, пурины и др.).
Извлечение азота из атмосферы происходит неорганическим и биохимическим путями, хотя они тесно взаимосвязаны. Неорганическое извлечение связано с образованием его соединений N2O, N2O5, NO2, NH3.
Биологическое связывание азота осуществляется некоторыми бактериями в симбиозе с высшими растениями в почвах. Азот также фиксируется некоторыми микроорганизмами планктона и водорослями в морской среде. В количественном отношении биологическое связывание азота превышает его неорганическую фиксацию.
Обмен всего азота атмосферы происходит примерно в течение 10 млн. лет. Азот содержится в газах вулканического происхождения и в изверженных горных породах. При нагревании различных образцов кристаллических пород и метеоритов азот освобождается в виде молекул N2 и NH3.
Однако главной формой присутствия азота, как на Земле, так и на планетах земной группы, является молекулярная. Аммиак, попадая в верхние слои атмосферы, быстро окисляется, высвобождая азот. В осадочных горных породах он захороняется совместно с органическим веществом и находится в повышенном количестве в битуминозных отложениях. В процессе регионального метаморфизма этих пород азот в различной форме выделяется в атмосферу Земли.
Геохимический круговорот азота (В.А. Вронский, Г.В. Войткевич)
Кислород (21 %) используется живыми организмами для дыхания, входит в состав органического вещества (белки, жиры, углеводы). Озон О3. задерживает губительную для жизни ультрафиолетовую радиацию Солнца.
Кислород – второй по распространению газ атмосферы, играющий исключительно важную роль во многих процессах биосферы. Господствующей формой его существования является О2. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации происходит диссоциация молекул кислорода, а на высоте примерно
p15=»#unknown1″ xmlns=»#unknown»>200 км отношение атомарного кислорода к молекулярному (О : О2) становится равным 10. При взаимодействии этих форм кислорода в атмосфере (на высоте 20-
Содержание свободного кислорода в земной атмосфере отражает баланс между его фотосинтезирующей продукцией и процессами поглощения (окисление органики, деструкция вещества мертвых организмов). Расчеты показывают, что кислород в атмосфере Земли обновляется в течение 3-4 тыс. лет, т.е. относится к весьма мобильным компонентам газовой оболочки.
На ранних этапах развития Земли свободный кислород возникал в очень малых количествах в результате фотодиссоциации молекул углекислого газа и воды в верхних слоях атмосферы. Однако эти малые количества быстро расходовались на окисление других газов. С появлением в океане автотрофных фотосинтезирующих организмов положение существенно изменилось.
Количество свободного кислорода в атмосфере стало прогрессивно возрастать, активно окисляя многие компоненты биосферы. Так, первые порции свободного кислорода способствовали прежде всего переходу закисных форм железа в окисные, а сульфидов в сульфаты.
См. статью «Эволюция газового состава атмосферного воздуха»
В конце концов количество свободного кислорода в атмосфере Земли достигло определенной массы и оказалось сбалансированным таким образом, что количество производимого стало равно количеству поглощаемого. В атмосфере установилось относительное постоянство содержания свободного кислорода.
Геохимический круговорот кислорода (В.А. Вронский, Г.В. Войткевич)
Углекислый газ, идет на образование живого вещества, а вместе с водяным паром создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».
Углерод (углекислота) – его большая часть в атмосфере находится в виде СО2 и значительно меньшая в форме СН4. Значение геохимической истории углерода в биосфере исключительно велико, поскольку он входит в состав всех живых организмов.
Источником первичной углекислоты в биосфере является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма. Миграция СО2 в биосфере протекает двумя способами.
Первый способ выражается в поглощении СО2 в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении в благоприятных восстановительных условиях в литосфере в виде торфа, угля, нефти, горючих сланцев. По второму способу миграция углерода приводит к созданию карбонатной системы в гидросфере, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО3-1, СО3-2.
Затем с участием кальция (реже магния и железа) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков и доломитов. По оценке А.Б. Ронова, соотношение органического углерода (Сорг) к углероду карбонатному (Скарб) в истории биосферы составляло 1:4.
Наряду с глобальным круговоротом углерода существует еще ряд его малых круговоротов. Так, на суше зеленые растения поглощают СО2 для процесса фотосинтеза в дневное время, а в ночное – выделяют его в атмосферу. С гибелью живых организмов на земной поверхности происходит окисление органических веществ (с участием микроорганизмов)
Круговорот углерода в географической оболочке (по Ф. Рамаду, 1981)
Аргон – третий по распространению атмосферный газ, что резко отличает его от крайне скудно распространенных других инертных газов. Однако аргон в своей геологической истории разделяет судьбу этих газов, для которых характерны две особенности:
- необратимость их накопления в атмосфере;
- тесная связь с радиоактивным распадом определенных неустойчивых изотопов.
Инертные газы находятся вне круговорота большинства циклических элементов в биосфере Земли.
Все инертные газы можно подразделить на первичные и радиогенные. К первичным относятся те, которые были захвачены Землей в период ее образования. Они распространены крайне редко. Первичная часть аргона представлена преимущественно изотопами 36Аr и 38Аr, в то время как атмосферный аргон состоит полностью из изотопа 40Аr (99,6%), который, несомненно, является радиогенным.
Поэтому содержание аргона в горных породах определяется их возрастом и количеством калия. В такой мере концентрация гелия в породах служит функцией их возраста и содержания тория и урана. Аргон и гелий выделяются в атмосферу из земных недр во время вулканических извержений, по трещинам в земной коре в виде газовых струй, а также при выветривании горных пород.
Согласно расчетам, выполненным П. Даймоном и Дж. Калпом, гелий и аргон в современную эпоху накапливаются в земной коре и в сравнительно малых количествах поступают в атмосферу. Скорость поступления этих радиогенных газов настолько мала, что не могла в течение геологической истории Земли обеспечить наблюдаемое содержание их в современной атмосфере.
Таким образом, в течение геологического времени у гелия и аргона были разные процессы миграции. Гелия в атмосфере весьма мало (около 5*10-4%), причем «гелиевое дыхание» Земли было более облегченным, так как он, как самый легкий газ, улетучивался в космическое пространство.
А «аргоновое дыхание» – тяжелым и аргон оставался в пределах нашей планеты. Большая часть первичных инертных газов, как неон и ксенон, была связана с первичным неоном, захваченным Землей в период ее образования, а также с выделением при дегазации мантии в атмосферу.
В атмосфере содержится и водяной пар и вода в жидком и твердом состоянии. Вода в атмосфере является важным аккумулятором тепла.
В нижних слоях атмосферы содержится большое количество минеральной и техногенной пыли и аэрозолей, продуктов горения, солей, спор и пыльцы растений и т.д.
До высоты 100-120 км, вследствие полного перемешивания воздуха состав атмосферы однороден. Соотношение между азотом и кислородом постоянно. Выше преобладают инертные газы, водород и др.
В нижних слоях атмосферы находится водяной пар. С удалением от земли содержание его падает. Выше соотношение газов изменяется, например на высоте 200-800 км, кислород преобладает над азотом в 10-100 раз.
Первичная атмосфера Земли состояла главным образом из водяных паров, водорода и аммиака. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца водяные пары разлагались на водород и кислород. Водород уходил в космическое пространство, кислород вступал в реакцию с аммиаком и образовывались азот и вода.
В начале геологической истории Земля благодаря магнитосфере, изолировавшей её от солнечного ветра, создала вторичную собственную углекислую атмосферу. Углекислый газ поступал из недр при интенсивных вулканических извержениях. С появлением в конце палеозоя зеленых растений кислород стал поступать в атмосферу в результате разложения углекислого газа при фотосинтезе, и состав атмосферы принял современный вид.
Современная атмосфера в значительной степени продукт живого вещества биосферы. Полное обновление кислорода планеты живым веществом происходит за 5200-5800 лет. Вся его масса усваивается живыми организмами приблизительно за 2 тыс. лет, вся углекислота – за 300-395 лет.
Состав первичной и современной атмосферы Земли
Также в первичной атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др. Свободный кислород появился в атмосфере 1,8-2 млрд. л.н.
Литература
- Вронский В.А. Основы палеогеографии / В.А. Вронский, Г.В. Войткевич. — Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 1997. — 576 с.
- Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.
Еще статьи о атмосфере
Химические свойства
При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.
1. Кислород проявляет свойства окислителя(с большинством химических элементов) и свойства восстановителя(только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами. Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.
1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:
O2 2F2 → 2OF2
С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.
1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:
S O2 → SO2
Si O2 → SiO2
1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:
При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):
4P 3O2 → 2P2O3
Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):
4P 5O2 → 2P2O5
1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):
N2 O2→ 2NO
1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием и алюминием кислород также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:
2Ca O2 → 2CaO
Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:
2Na O2→ Na2O2
А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:
K O2→ KO2
Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.
Цинк окисляется до оксида цинка (II):
2Zn O2→ 2ZnO
Железо, в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:
2Fe O2→ 2FeO
4Fe 3O2→ 2Fe2O3
3Fe 2O2→ Fe3O4
1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит, образуя оксид углерода (IV):
C O2 → CO2
при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:
2C O2 → 2CO
Алмаз горит при высоких температурах:
Горение алмаза в жидком кислороде:
Графит также горит:
Графит также горит, например, в жидком кислороде:
Графитовые стержни под напряжением:
2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды. При этом образуются оксиды:
4FeS 7O2→ 2Fe2O3 4SO2
Al4C3 6O2→ 2Al2O3 3CO2
Ca3P2 4O2→ 3CaO P2O5
2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:
- летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды:
2H2S 3O2→ 2H2O 2SO2
Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:
4NH3 3O2→ 2N2 6H2O
Аммиакокисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):
4NH3 5O2→ 4NO 6H2O
- прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):
CS2 3O2→ CO2 2SO2
- некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):
2CO O2→ 2CO2
2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.
Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):
4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3
Кислород окисляет азотистую кислоту:
2HNO2 O2 → 2HNO3
2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:
CH4 2O2→ CO2 2H2O
2CH4 3O2→ 2CO 4H2O
CH4 O2→ C 2H2O
Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)
2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O
Цепные реакции
Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии.
Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H2 Cl2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул — так называемых свободных радикалов.
Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:
Cl H2 → HCl H,H Cl2 → HCl Cl и т. д.
На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl Cl → Cl2.
Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции — разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три.
H O2 → OH O,O H2 → OH H.
Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии.
Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона — это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О О2 = О3, которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.
Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами — водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом — зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света.
Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой.
Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях.
Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.