Майкл Фарадей

Силы материи и их взаимодействия

Лекция III. Сцепление. Химическое сродство

Вернемся на несколько минут к одному из опытов, произведенных вчера. Вы помните, что мы смешали квасцовый порошок с теплой водой: вот одна из употребленных при этом чашек. С тех пор она осталась нетронутой, но вы видите, что в ней нет больше порошка, зато есть множество прекрасных кристаллов. Вот куски кокса, которые я положил в другую чашку: они покрыты множеством мелких кристаллов. Эту чашку я оставил нетронутой, не вылил из нее воду, потому что хочу показать еще другое действие частиц квасцов, кроме их соединения в кристаллы. Частицы эти оттолкнули от себя грязь и отложили ее около внешних краев кристаллов, лежащих внизу: они, так сказать, выдавили грязь вследствие сильного притяжения, которое частицы квасцов имеют друг к другу.

Перейдем теперь к другому опыту. Мы уже знаем кое- что о том, как частицы твердых тел притягивают друг друга, мы знаем, что это притяжение заставляет известковый шпат, квасцы и другие тела принимать правильные кристаллические формы. Теперь мало-помалу познакомимся с имеющимися у нас средствами для некоторого изменения силы этого сцепления; мы можем увеличить, уменьшить или даже, как может казаться на первый взгляд, совершенно уничтожить ее. Я беру железный прут длиной в два фута и около четверти дюйма в поперечнике. Он сейчас очень крепок благодаря сцеплению между собой его частиц. Но если г. Андерсон нагреет часть его докрасна, то мы увидим, что он станет мягок, так же как размягчается нагретый сургуч: чем больше нагревать прут, тем он станет мягче.

Но что означает эта мягкость? Она означает, что притяжение между частицами настолько ослаблено, что оно не в состоянии более сопротивляться силе, которой мы действуем на прут. Г-н Андерсон передал мне железный прут, один конец которого нагрет до красного каления, вы видите, как легко я могу крутить этот конец щипцами, и мне не стоит никакого труда согнуть его, тогда как сделать это с холодной частью прута невозможно. Вы все знаете, что кузнец берет кусок железа и накаливает его для того, чтобы сделать мягким и иметь возможность легко обрабатывать его для своих целей: он также старается уменьшить сцепление между частицами, хотя и не знаком в точности с законами этой силы.

Теперь рассмотрим другое явление. Я беру кусок льда. Как естествоиспытатели, мы употребляем слово «вода» даже тогда, когда она находится в газообразном или твердом состоянии. Почему вода находится в твердом состоянии? Это обусловлено сильным притяжением между частицами, достаточным для того, чтобы удержать их на месте, несмотря на действие сил на лед.

Но что произойдет, если лед нагреть? В этом случае мы уменьшаем силу притяжения между частицами настолько, что твердое тело будет совершенно разрушено. Возьмем железный шар в два дюйма в поперечнике, накаленный докрасна; он может служить удобным источником теплоты. Этот шар я кладу на середину льда, и вы видите, что лед тает там, где железо прикасается к нему. Вы замечаете, что железо опускается в лед. А по мере того как часть твердой воды становится жидкой, теплота шара быстро теряется. Часть воды обращается в пар, иначе говоря, притяжение между частицами ее настолько уменьшается, что они не могут удерживаться даже в жидком состоянии и поднимаются в виде пара. Однако расплавить весь лед теплотой этого накаленного шара невозможно, так как он очень скоро оказывается совсем холодным.

Мы получили воду, уменьшив притяжение, существовавшее между частицами льда. Ниже известной температуры притяжение между частицами воды так увеличивается, что она переходит в состояние льда, между тем как выше известной температуры притяжение это настолько уменьшается, что вода обращается в пар. Совершенно то же самое происходит с платиной и почти со всеми другими телами природы: при повышении температуры до известного предела тело становится жидким, а при дальнейшем повышении оно обращается в газ. Разве не кажется нам замечательным, что вода морей, рек и т. д. в северных странах представляет собой твердый лед и ледяные горы, тогда как у нас, в более теплом климате, сила сцепления частиц воды настолько уменьшена, что вода обычно находится в жидком состоянии.

Итак, для уменьшения сцепления между частицами льда мы пользуемся еще одной силой, а именно теплотой Ч Хотелось бы, чтобы вы поняли, что сила теплоты действует во всех случаях, когда вода переходит из твердого состояния в жидкое. Каким бы образом ни растапливать лед, обойтись при этом без теплоты невозможно, хотя мы имеем средства превращать лед в жидкое состояние, не употребляя при этом теплоту непосредственно.

Для примера я возьму оловянную фольгу и сложу ее в виде блюда. Я употребляю металлическое блюдо, потому что нам нужно, чтобы теплота, которая будет действовать при опыте, легко проходила через него. Я налью немного воды на стол и поставлю в нее оловянное блюдо. Теперь, если я положу в него немного льда и затем захочу превратить этот лед в жидкое состояние одним из различных способов, которые мы имеем для этого, то лед все-таки откуда-нибудь должен будет взять количество теплоты, необходимое для этого превращения; в данном случае он возьмет ее из блюда, в котором лежит, из воды, находящейся под блюдом, и от других окружающих его предметов.

Немного соли, прибавленной ко льду, способствует его таянию. Очень скоро мы увидим, что смесь станет жидкой, и вы заметите тогда, что вода, находящаяся под блюдом, совершенно замерзла, потому что вынуждена была отдать льду, перешедшему в жидкое состояние, ту теплоту, которая ей самой была необходима, чтобы оставаться жидкой. Помню, однажды, когда я был еще мальчиком, при мне в одном деревенском трактире был показан фокус. Дело заключалось в том, чтобы растопить у огня лед в сосуде так, чтобы сосуд примерз при этом к столу.

Этот вопрос был решен так. В оловянную чашку положили толченого льда и прибавили к нему немного соли. Мне ничего не сказали насчет прибавленной ко льду соли, а чашку поставили близ огня, для того чтобы сделать опыт более поразительным. И вот, когда соль и лед перемешались, лед стал таять, и в результате очень скоро чашка примерзла к столу, совсем так, как это сейчас произойдет в нашем опыте. Все это получается оттого, что соль имеет способность уменьшать силу сцепления между частицами льда. Вы видите, что блюдо примерзло у нас к доске: я даже могу приподнять доску, взявшись за блюдо.

Этот опыт свидетельствует о том, что всякий раз, когда твердое тело теряет известную часть той силы сцепления, благодаря которой оно находится в твердом состоянии, поглощается некоторая теплота: наоборот, когда жидкое тело превращается в твердое, например вода в лед, соответствующее количество теплоты освобождается. Следующий опыт убедит вас в этом. Вот колба А (рис. 21), наполненная воздухом». Трубка, один конец которой соединен с этой колбой, погружена другим концом в окрашенную жидкость, налитую в сосуд В. Если я положу мою руку на колбу А и таким образом нагрею ее, то окрашенная жидкость, стоящая теперь в трубке у С, подвинется вперед к сосуду В.

Тщательные исследования свойств различных тел дали нам возможность приготовить раствор соли, который при сотрясении или приведении в движение немедленно переходит в твердое состояние. Как я только что объяснял (ибо то, что справедливо относительно воды, справедливо и относительно всякой другой жидкости), при замерзании раствора должна выделиться теплота, что можно наблюдать на опыте, выливая раствор на колбу А. Раствор твердеет, и мы видим, как цветная жидкость вытесняется из трубки и выходит пузырьками в сосуд В. Этот опыт указывает на замечательный закон природы, утверждающий, что при уменьшении притяжения сцепления теплота поглощается, между тем как при увеличении этого притяжения теплота выделяется.

Таким образом, вы узнали еще один важный закон, кроме простой истины, что частицы притягивают друг друга. Не думайте, что тела в жидком состоянии вовсе не имеют притяжения сцепления. Вот жидкая ртуть: если я буду переливать ее из одного сосуда в другой, то вы увидите, что она образует непрерывную струю, идущую от бутылки до стакана, в который я наливаю ее; это показывает, что между частицами жидкой ртути достаточно притяжения для того, чтобы сдерживать их вместе, на всем пути перехода их через воздух от сосуда до стакана.

Если я осторожно буду выливать из кружки воду, то я могу заставить ее течь непрерывной струей. Теперь я налью немного воды на маленькую стеклянную пластинку, затем положу на нее другое такое же стеклышко так, чтобы между ними находилась вода. Смотрите! Верхняя пластинка может двигаться совершенно свободно по нижней, скользить по ней по различным направлениям; но если я прямо приподниму верхнюю пластинку, то благодаря сильному сцеплению нижняя пластинка удержится в соединении с нею и также приподнимется. Вы видите, как она поднимается вместе с верхней пластинкой. Все это происходит вследствие сильного притяжения между частицами воды.

Покажу еще один опыт. Беру немного мыла и воды (я прибавляю мыло к воде не потому, чтобы оно увеличило притяжение между ее частицами, а потому, что оно имеет способность делать это притяжение более непрерывным) и выдую мыльный пузырь. Кстати, позвольте дать вам совет: при опытах с мыльными пузырями будьте осторожны, чтобы все вокруг не оказалось мыльным. Чтобы иметь возможность дуть и в то же время говорить с вами, я возьму блюдо с небольшим количеством мыльной воды, намылю край трубки и выдую пузырь на самом блюде. Ну, вот наш пузырь.

Почему он сохраняет шарообразный вид? Конечно, потому, что между частицами воды, из которой он состоит, притяжение столь сильно, что оно может придать трубки, этому мыльному пузырю некоторые свойства резинового шара. Вы видите, что если я вдвину в пузырь конец стеклянной трубки, то оказывается, что пузырь обладает способностью так сильно сократиться, что из него через трубку вытесняется достаточно воздуха для того, чтобы задуть свечу.

Свеча задута, а пузырь исчезает, становясь все меньше и меньше (рис. 22).

Я бы мог сделать двадцать других опытов для того, чтобы показать вам силу сцепления между частицами жидкостей. Что, например, посоветовали бы вы мне сделать, если бы я потерял пробку от этой бутылки со спиртом и мне необходимо было бы поскорее заткнуть ее чем-нибудь находящимся под рукой. Кусок бумаги не годится для этого, но мы можем употребить кусок полотна или хлопка: я помещу клочок хлопка в горло бутылки со спиртом, и при опрокидывании ее вы увидите, что она вполне хорошо закупорена, — воздух может проходить через хлопок к спирту, но спирт не может проникать через него.

Очевидно, что если бы не существовало сцепления между частицами жидкости, то спирт вылился бы из бутылки. Если бы у меня было довольно времени, то я мог бы показать вам сосуд, дно и крышка которого устроены наподобие сита, тем не менее такой сосуд удерживает в себе воду благодаря сцеплению между частицами. Если бы я имел бутыль с маслом, то мог бы употребить тот же прием. В прежнее время, действительно, присылали в Англию масло из Италии в бутылях, закупоренных одним только хлопком (в настоящее время этот способ не применяется).

Вы сейчас видели, как действием теплоты можно обратить воду из твердого состояния в жидкое, потому что это действие уменьшает силу притяжения между частицами воды; однако теперь вы видите, что в воде остается довольно много этого притяжения.

Пойдем дальше. Мы видели, что если продолжать сообщать воде теплоту, то (как случилось с нашим куском льда), наконец, уничтожается и притяжение, удерживающее воду в жидком состоянии. Чтобы показать вам, что произойдет, когда это притяжение будет разрушено, я возьму немного эфира (всякая другая жидкость одинаково годится для этого опыта, но эфир для этой цели всего удобнее). При очень сильном охлаждении жидкого эфира он становится твердым, при нагревании же он обращается в пар. Мне хочется показать вам огромный объем, занимаемый веществом в этом новом состоянии. Когда мы обращаем лед в воду, объем его уменьшается, но когда превращаем воду в пар, то объем ее увеличивается в громадных размерах.

Вы можете видеть, что, сообщая теплоту жидкому эфиру, я уменьшаю притяжение между его частицами: теперь жидкость кипит. Я зажгу выделяющиеся из нее пары, чтобы дать вам возможность судить по величине пламени о пространстве, занимаемом эфиром в состоянии пара. Вы видите, какое огромное пламя я получаю из небольшого количества эфира, находящегося внизу. Теплота, сообщаемая спиртовой лампой, употребляется теперь не на нагревание эфира, а на обращение его в парообразное состояние. Если бы я пожелал собрать этот пар и сгустить его, что легко можно сделать, то мне пришлось бы поступить точно так же, как если бы я хотел обратить водяной пар в жидкую воду и воду в лед: в обоих случаях необходимо увеличить притяжение между частицами посредством холода или другим способом.

Объем, занимаемый частицами тела, так увеличивается вследствие ослабления притяжения, что если бы я взял один кубический дюйм воды (А, рис. 23), то получил бы из него 1700 куб. дюймов пара (В, рис. 23) — так сильно уменьшается притяжение сцепления от действия теплоты. Тем не менее, пар все же остается водой. Вы легко можете себе представить последствия изменения объема вследствие нагревания — могущественную силу пара и страшные взрывы, которые иногда производит эта сила.

Теперь я сделаю другой опыт, который еще нагляднее покажет объем, занимаемый телом, когда оно переходит в парообразное состояние. Перед нами вещество, называемое йодом Е Я подвергну его тому же действию теплоты, как и эфир, для чего помещаю несколько кусочков йода в нагретый стеклянный шар. Шар немедленно наполнится фиолетовым паром: очевидно, с йодом произошла такая же перемена, как с эфиром. Этот опыт дает нам, кроме того, возможность видеть красивый фиолетовый цвет пара, получаемого от нашего черного вещества. Строже говоря, шар содержит теперь смесь пара с воздухом (не думайте, что этот шар весь наполнен только парами йода).

Если бы я взял ртуть и обратил ее в пар, что легко сделать, то получил бы совершенно бесцветный газ. Надо вам сказать, что тела, находящиеся в так называемом парообразном или газообразном состоянии, всегда совершенно прозрачны, никогда не имеют вида облаков или дыма. Правда, они часто бывают окрашены, как вы сейчас увидите на опыте. Нередко можно получить цветные пары или газы путем смешения частичек, которые сами по себе бесцветны. Я беру стеклянный цилиндр, наполненный газом перекисью азота, и опрокидываю его над цилиндром, наполненным другим газом, кислородом. При этом образуются темно-красные пары азотноватой кислоты.

На этом опыте вы видели прекрасный пример действия некоей силы природы, до изучения которой мы еще не дошли, но которая стоит на очереди в нашем списке, как сила «химического сродства». Итак, вы видели, что можно получить фиолетовые, оранжевые или другого цвета пары, но все они совершенно прозрачны, иначе они перестают быть парами.

Теперь я предлагаю пойти дальше простого рассмотрения притяжения между частицами. Мы знаем, что, например, воду мы всегда должны рассматривать именно как воду, будет ли она находиться в виде льда, воды или пара. Имеются разные средства для изучения строения воды, кроме того, что дает действие теплоты: самое важное из них — сила, называемая вольтовым электричеством, которой мы воспользовались в прошлой нашей беседе, чтобы произвести свет. Эта сила передавалась по комнате посредством проводов, а производилась она батареей, стоящей позади меня.

Сейчас займемся этим маленьким сосудом С (рис. 24), в который налита вода: кроме воды в нем находятся два платиновых листа, соединенных с приводами А и В, приходящими снаружи. Я хочу исследовать состав этой воды, состояние и условия расположения ее частиц. Если бы мы стали нагревать ее, то, как вы знаете, она обратилась бы в пар, оставшись, тем не менее, водой: пар снова перешел бы в жидкое состояние, как только теплой была бы удалена.

Провода, идущие от батареи, предоставляют в наше распоряжение некоторое количество новой силы: соединяя концы этих проводов, мы получаем электрический свет, которым мы пользовались вчера. Посредством проводов мы можем заставить эту силу действовать на воду. Пользуясь проводами А и В, я соединяю провода, идущие от батареи, с металлическими листами, находящимися в сосуде С.

Вода в этом маленьком сосуде начинает кипеть, вы слышите журчание газа, проходящего через трубку D, и замечаете, как он поднимается в сосуде, наполненном водой. Я превратил эту воду в газ. Если я возьму маленький сосуд Е, наполню водой и вставлю в него конец трубки D, то вы увидите, как в воду входят пузырьки газа.

Между тем, это не водяной пар, так как мы знаем, что если водяной пар привести в соприкосновение с холодной водой, то он сейчас же сгущается и переходит в жидкое состояние. Выделяющийся газ не может быть поэтому водяным паром, ибо он без изменения проходит через холодную воду, но он все-таки имеет вид пара, и мы должны тщательно рассмотреть его, чтобы видеть, что же произошло с водой.

Чтобы еще более убедить вас в том, что это не водяной пар, я покажу вам, что выделившееся вещество может гореть. Если я поднесу сосуд к пламени, внутри его произойдет взрыв, чего не могло бы случиться с паром.

Теперь я наполняю этот большой стеклянный колокол F водой и дам газу подняться в него. Из собранного таким образом газа мы можем снова полупить воду. Вот крепкий стеклянный сосуд G. Я впущу в него газ из колокола F. затем воспламеним этот газ посредством электрической искры, после чего обнаружится, что опять получилась вода. Впрочем, из газа получится очень немного воды: вы помните, какое малое количество воды дает огромный объем пара.

Г-н Андерсон выкачает воздух из сосуда G, затем я привинчу этот сосуд наверху колокола F, и вы увидите, как вода станет подниматься в колоколе, лишь только будут открыты краны H, H, H'. Это показывает, что часть газа перешла в верхний стеклянный сосуд. Теперь я запираю краны: мы можем пропустить электрическую искру через газ с помощью проводов I, K, находящихся в верхней части сосуда G, и увидим, что газ горит очень ярким пламенем.

Г-н Андерсон принес так называемую лейденскую банку; посредством проводов I он разряжает эту байку через газ в сосуде G. Смотрите, вот пламя. Чтобы показать вам, что при этом весь газ исчез, стоит только опять привинтить сосуд G к колоколу, открыть сообщающие краны, и газ вторично наполнит сосуд G, и мы можем произвести новое сожжение газа. Мы могли бы повторить это действие сколько угодно раз и собирать таким образом воду, в которую снова обращается газ. В сосуде С мы можем превратить воду в большой объем так называемого постоянного газа и газ этот снова превратить в воду посредством искры, производимой лейденской банкой.

Г-н Андерсон принес другую лейденскую банку. Но что это? Почему-то она не зажигает газа? А, вот в чем дело! Ее нужно перезарядить, что и делает сейчас г. Андерсон. Теперь она зажигает газ, как нам нужно. Видите, как замечательны результаты опытов, если только их правильно делать. В ошибках виновны обычно мы сами, а не природа. Теперь я положу сосуд в сторону, чтобы вы могли рассмотреть его} по стенкам его стекает образовавшаяся вода в очень незначительном количестве, но все же достаточном, чтобы можно было ее видеть.

В этом способе изменения состояния воды замечательно еще и то, что он дает нам возможность отделить одну от другой части, из которых вода состоит, собрать каждую из них отдельно и определить, каковы они и сколько каждой из них. Чтобы проделать этот опыт, беру прибор (рис. 25), немного отличный от первого. В него налита вода: если я соединю этот прибор с помощью проводов АВ с батареей, то получу такое же разложение воды у двух платиновых листков, как прежде. Теперь я поставлю маленький колокол О над одним из листков; в нем соберется газ, выделяющийся у А. Над другим я поставлю другой маленький колокол (Н), в нем соберется газ, выделяющийся у В.

Полагаю, что мы скоро сможем видеть различие между этими газами. В этом приборе провода далеко раздвинуты один от другого, и, по-видимому, каждый из них способен отделить частицы от воды и посылать их в сторону. Вы замечаете, что один род частиц (в H) выделяется вдвое изобильнее, нежели другой, собирающийся в O.

Здесь в Я из воды выделяется некий газ, способный гореть. Вы видите, как он вспыхивает, когда я подношу к нему спичку. Между тем газ, выделяющийся из воды в O, хотя сам не горит, но сильно поддерживает горение. Я ввожу в этот газ спичку с тлеющим концом, и она немедленно вновь загорается в нем.

Итак, у нас два вещества: .ни одно из них само по себе не есть вода, но получаем мы их из воды. Отсюда можно сделать вывод, что вода состоит из двух веществ, отличных от нее и появляющихся в различных местах, когда мы подвергаем воду действию силы, имеющейся в проводах, идущих от батареи. Вы видите, что газ, собирающийся в колоколе Я, совершенно отличен от того газа, который мы собирали в прежнем приборе (рис. 24). Тот газ при зажигании производил громкий взрыв, этот же горит без всякого шума. Этот газ называется водородом. Другой газ, который тоже сильно поддерживает горение, но сам не горит, называется кислородом.

Итак, теперь мы узнали, что вода состоит из двух родов частиц, причем притяжение между этими разными частицами действует совершенно иначе, нежели притяжение тяготения или сцепления; этот род притяжения мы называем «химическим сродством», или силой химического действия между различными телами. Здесь мы имеем дело уже не с притяжением железа к железу, воды к воде, дерева к дереву или вообще любых двух одинаковых веществ, как при изучении силы сцепления, а это другой вид притяжения — притяжение между частицами, различными по природе своей друг от друга. Химическое сродство всецело зависит от энергии, которой разнородные частицы притягивают друг друга. Кислород и водород — это частицы разнородные; соединяясь химически благодаря взаимному притяжению, они образуют воду.

Постараемся познакомиться подробнее с химическим сродством. Кислород и водород можно приготовлять и из других веществ, кроме воды. Сейчас я приготовлю немного кислорода. Вот вещество, содержащее кислород, — хлорнокислый калий. Я положу немного этого вещества в стеклянную реторту, которую г. Андерсон потом нагреет. Здесь мы имеем несколько колоколов, наполненных водой: эту воду мы вытесним из сосудов и заменим газом, выделяющимся из хлорнокислого калия при действии на него теплоты.

Когда мы разлагаем воду на ее составные части действием гальванической батареи, то не придаем и не отнимаем от нее никакой материи (я говорю о материи, а не о силе), вода изменяется лишь так, что водород, горение которого вы сейчас видели, выделяется в известном объеме, а кислррод выделяется в объеме, равном половине объема выделяемого в то же время водорода. Значит, изображенные здесь два четырехугольника представляют состав воды, т. е. постоянное отношение между составляющими ее газами.

Кислород в 16 раз тяжелее водорода, и хотя из воды выделяется его лишь половина объема сравнительно с водородом, но она весит в 8 раз больше выделяющегося в это же время объема водорода. Вам теперь ясно будет, что на девять весовых частей воды приходится одна весовая часть кислорода и восемь весовых частей водорода.

Рассмотрим, каковы же свойства кислорода. Я уже сказал вам, что этот газ не горит, но поддерживает горение других тел. Я зажгу конец деревянной щепки и опущу ее в сосуд, наполненный кислородом, и вы увидите, как Таз усиливает яркость горения щепки. Кислород сам не горит, не воспламеняется подобно водороду, но зато в нем ярко горит щепка. Если я зажгу восковую свечку и опрокину ее в воздухе, она непременно погаснет вследствие избытка воска, стекающего на фитиль. Этого не случится в кислороде. Я опять зажигаю восковую свечу и, опрокинув ее, опускаю в сосуд с кислородом (рис. 26).

При этом мы увидим, что воск горит и падает на дно сосуда в виде ослепительного огненного потока. Так сильно кислород поддерживает горение. Я покажу вам еще один опыт, который продемонстрирует силу кислорода (если можно так выразиться). У меня здесь кольцеобразное спиртовое пламя: оно даст возможность посмотреть, как горит железо, и сравнить влияние воздуха и кислорода на это пламя, выступающее через сито. Мелкие железные опилки загораются в этом пламени и, сверкая, падают вниз. Теперь я буду держать пламя над сосудом с кислородом и повторю тот же опыт. Опилки с невыносимым блеском будут гореть, падая в пламя. Видите, как различны действия воздуха и кислорода.

---

Материал сверстал и разместил в Сети Олег Акимов 4 декабря 2014 года