Майкл Фарадей

Силы материи и их взаимодействия

Лекция IV. Химическое сродство. Теплота

Кроме притяжения между частицами воды, сдерживающего ее в виде твердого или жидкого тела, в воде имеется еще Другая сила, отличная от силы сцепления, — сила, которую мы вчера преодолели посредством Вольтовой батареи, получив из воды два различных вещества. При нагревании посредством электрической искры эти вещества, как мы видели, притягивают друг друга, опять соединяются между собой и образуют воду. Вчера мы рассмотрели одну из составных частей воды — кислород. Теперь постараемся ознакомиться с другой составной частью воды — с водородом. Он получил это название потому, что участвует в порождении воды. Я кладу в реторту (рис. 27) немного цинка, воды и серной кислоты, и немедленно начинается действие, в результате которого возникает много газа, выходящего в сосуд над водой и поднимающегося в нем в виде пузырьков подобно кислороду, добытому нами вчера.

Эти два процесса совершенно различны, хотя результат у них один и тот же, поскольку он дает нам некие газообразные частички. Мы получили водород. Вчера мы узнали некоторые свойства этого газа, теперь позвольте мне познакомить вас с другими его свойствами. Водород может горсть, этим он отличается от кислорода , который только поддерживает горение других тел, но сам не горит. Вот сосуд, наполненный водородом. Если я поднесу к нему пламя, то вы увидите, что газ загорится, хотя не ярким пламенем; вы, во всяком случае, услышите, что он горит, если и не увидите пламени. Итак, водород совершенно отличен от кислорода. Он чрезвычайно легок: вы видели вчера, что хотя при действии гальванической батареи на воду в одном колоколе собирается водорода по объему вдвое более, чем кислорода в другом, тем не менее, вес этого двойного объема водорода составляет лишь 1/8 веса образовавшегося при этом в то же время кислорода. Я держу сосуд с водородом в опрокинутом положении. Почему? Потому что я знаю, что водород очень легок и удерживается в опрокинутом сосуде так же хорошо, как вода удерживается в сосуде, стоящем прямо.

Я могу переливать воду из одного сосуда в другой, находящийся в прямом положении, точно так же я могу переливать водород из одного сосуда в другой, если этот сосуд находится в опрокинутом положении. Проделаем этот опыт: сейчас в опрокинутом сосуде водорода нет (рис. 28). Я осторожно подставляю под него сосуд, наполненный водородом. Посмотрим, в каком из двух сосудов окажется водород. Приближая свечу к обоим сосудам, находим, что в том сосуде, в котором водород находился прежде, его больше нет, — он переместился вверх в другой сосуд, где мы и обнаружили его.

Вам ясно теперь, что частички бывают весьма различного рода и что они могут иметь различные объемы и вес, Я могу показать вам два-три очень интересных опыта в подтверждение этого. Например, я выдуваю мыльные пузыри посредством выдыхаемого мной воздуха. Эти пузыри, как видите, падают на землю, потому что наполнены обыкновенным воздухом, а вода, составляющая их стенки, заставляет их падать вниз. Но что будет, если я вдохну в мои легкие водород (этот газ не вредит легким, хотя и не приносит им пользы) и выдую им мыльный пузырь? Смотрите, как плавно поднимается к потолку этот пузырь. Вот он ударился о потолок и лопнул. Этот опыт очень хорошо показывает, как легок водород, потому что, несмотря на тяжелый испорченный воздух, оставшийся в моих легких и смешавшийся с нашим газом, несмотря на вес самого пузыря, водород поднял пузырь вверх.

Я прошу вас обратить внимание на это различие веса как на доказательство различия между частицами разных тел. Для примера возьмем обыкновенные вещества: воздух и воду; затем самое тяжелое вещество — платину и, наконец, газ водород. Посмотрите, как они различаются между собой по своему весу. Такой кусок платины равен по весу количествам воды, воздуха и водорода, объемы которых представлены этими шарами (рис. 29). Этот пример дает понятие об огромном различии веществ в весе веществ, столь различающихся по своим объемам. На доске написана таблица, в которой точно выражено это различие.

Кислород и водород, соединяясь между собой, образуют воду: вы видели огромное различие между объемом и видом образованной таким образом воды и объемом и видом частиц, из которых она состоит. До сих пор еще нам не удалось обратить водород или кислород в жидкое состояние а между тем первое побуждение этих тел при их химическом соединении — перейти в жидкое, а затем и в твердое состояние. Мы не можем соединить эти различные частицы без того, чтобы при этом не получалась вода. Забавно подумать, как часто, но бессознательно, каждый из вас делал опыт соединения кислорода с водородом и образования воды. Возьмите, например, свечу и чистую серебряную ложку или кусок чистого олова; если вы будете держать ложку или олово над пламенем, то увидите, что они немедленно покрываются каплями росы (не пара), которые затем испаряются.

Следующий опыт покажет это еще яснее. Г-н Андерсон поставит свечку под стеклянным колоколом, и вы увидите, как скоро при этом образуется вода (рис. 30), как стенки колокола запотевают: скоро на них образуются капли, которые потекут на блюдо, поставленное под колокол; туман на стенках и капли — не что иное, как вода, образующаяся вследствие соединения кислорода воздуха с водородом, находящимся в воске свечки.

Принявшись за рассмотрение химического сродства, я должен расширить ваши понятия об этой силе для того, чтобы охватить все вещества, обнаруживающие химическое сродство друг к другу. Ведь это сродство по-разному изменяет характер тел и производит в них весьма замечательные превращения и явления. У меня здесь немного хлорноватокислого калия и сернистой сурьмы. Смешав частицы двух различных тел, я хочу показать в общем виде некоторые явления, происходящие при действии друг на дру- га различных частиц, Я могу заставить эти тела действовать друг на друга различными способами. Для нашего опыта я нагрею их смесь, — то же самое произошло бы, если бы я ударил эту смесь молотом. Я приближаю зажженную спичку к смеси, и в ней немедленно происходит взрыв с мгновенной вспышкой и выделением густого белого дыма. Здесь вы видите действие химического сродства: оно преодолело силу сцепления, существовавшую между частицами этих тел.

Вот немного сахара — вещества, совершенно отличного от черной сернистой сурьмы. Посмотрим, что произойдет, когда мы смешаем вместе сахар с бертолетовой солью. Я прикасаюсь к смеси серной кислотой. Вы видите: смесь загорается и горит постепенно более блестящим пламенем, чем в прежнем случае. Смотрите, как сила химического сродства переходит от одной части смеси к другой, воспламеняя ее и производя в ней заметное движение.

Я должен коснуться теперь некоторых обстоятельств, которые потребуют внимательного рассмотрения. Мы уже знаем некоторые из действий химического сродства, но для того, чтобы более подробно ознакомиться с этой силой, Мы должны указать и на некоторые другие ее действия. Перед нами две соли, растворенные в воде *. Оба раствора бесцветны, и в стаканах, в которые они налиты, вы не можете отличить один от другого. Но если я смешаю их, то между ними начнет проявляться химическое притяжение.

Я сливаю оба раствора в стакан и не сомневаюсь, что вы сразу увидите в них некоторую перемену: они начинают принимать молочный вид, но действие происходит медленно, не так как в тех случаях, которые мы видели прежде, потому что скорость действия химического сродства разнообразна до бесконечности. Если же, как следует смешать обе жидкости, взболтав их, то мы быстро получим иной результат. По мере того как я мешаю их, они становятся все гуще и гуще, жидкость, наконец, отвердевает и начинает переходить в состояние теста: скоро она совершенно отвердеет; мы не успеем окончить сегодняшней лекции, как она обратится в твердый камень, конечно, мокрый камень, но все-таки более или менее твердый. Все это происходит вследствие химического сродства.

Химическое сродство замечательно еще в том отношении, что оно может либо действовать сразу, либо оставаться на некоторое время не действующим. Это очень интересное явление, потому что мы ничего подобного не знаем ни относительно силы тяготения, ни относительно силы сцепления. Вот, например, кислород, а вот кусок угля. Я положу уголь в кислород; кислород может действовать на частицы угля, но он не действует. Подобный случай представляет не зажженная свеча, которая спокойно стоит на столе, пока ее не зажгут. Но дело не всегда обходится таким образом.

Возьмем вещество, такое же газообразное, как кислород; если я положу в нее эти части металла, то между металлом и газом немедленно произойдет соединение. Медь и хлор соединяются благодаря существующему между ними химическому сродству и образуют тело, совершенно отличное от обоих веществ, вошедших в соединение. Однако не надо думать, что в первом примере, который я сейчас показал, не существует сродства между углем и кислородом: как только я привожу эти тела в такое состояние, в котором это сродство обнаружится, явление будет совсем другое. Я зажигаю кусок угля и вношу его в сосуд с кислородом. Как видите, происходит горение с ярким блеском.

В этом случае химическое сродство приводится в действие совершенно так же, как при зажигании свечи или углей в камине: вещества эти ожидают, пока мы дадим им возможность начать взаимодействовать с кислородом воздуха. Может ли быть что-либо красивее этого сгорания угля в кислороде? Каждая из малых искр есть частица, осколок угля, накаленного добела, отброшенного в кислород и горящего в нем тем ярким светом, который вы видите.

Теперь позвольте мне сообщить вам еще кое-что о химическом сродстве. Вы видите, как уголь горит в кислороде: кусок свинца будет гореть в нем так же хорошо, как уголь, и даже лучше его, потому что кусок свинца будет действовать на кислород немедленно после помещения в него, так же как медь действовала на хлор. Теперь возьмем кусок железа. Если его накалить и поместить в кислород, он сгорит точно так же, как сгорел уголь. Я возьму немного свинца и покажу вам, что он сгорит в кислороде атмосферы при обыкновенной температуре.

Вот кусок свинца, который я на днях вам показывал: помните, я соединил два куска этого свинца. Если я теперь сдавлю вместе два куска свинца, то они не пристанут друг к другу, по той причине, что они притянули из атмосферы часть ее кислорода и покрылись слоем окиси свинца, которая образовалась на их поверхности вследствие настоящего сгорания металла, или соединения его с кислородом. Вы видите, что железо хорошо горит в кислороде. Почему же эти ножницы и этот свинец не воспламеняются, когда лежат на столе?

Слиток свинца покрыт оболочкой окиси, тогда как при горении железа в кислороде расплавленная окись отделяется от него, освобождая, таким образом, все новую и новую поверхность металла, которая в свою очередь сгорает в прикосновении с кислородом, т. е. соединяется с ним и образует окись. А вот здесь в этом маленьком стеклянном сосуде находится пирофорный свинец. Сейчас я покажу, что он воспламеняется моментально.

Свинец был весьма тщательно приготовлен в виде мелкого порошка, помещен в стеклянную трубку и запаян в ней, чтобы не допускать к нему воздуха. Это было сделано с месяц тому назад, следовательно, порошок имел достаточно времени, чтобы остыть до нормальной температуры. Следовательно, действие, которое вы сейчас увидите, происходит лишь как результат химического сродства. Я отломил конец запаянной трубки и высыпал на бумагу свинцовый порошок. Смотрите, свинец моментально загорелся, он даже зажег бумагу. Это горение есть не что иное, как действие обыкновенного химического сродства, всегда существующего между частицами очень чистого свинца и кислородом воздуха.

Железо не горит, когда оно не накалено предварительно докрасна, потому что оно покрыто слоем окиси, который не допускает до него действия кислорода. Оно покрыто как бы слоем лака, подобно тому, как мы покрываем картину веществом, которое препятствует действию химического сродства между телами.

Пойдем теперь несколько далее в деле исследования химического сродства. Замечательно, что притяжение между различными частицами продолжает существовать и тогда, когда они уже предварительно соединены с другими веществами. Вот, например, немного хлорнокислого калия, содержащего кислород, который, как мы вчера видели, можно из него добыть.

В этом теле кислород соединен с другими веществами и удерживается в нем химическим сродством, существующим между кислородом и прочими веществами; тем не менее этот кислород, как вы видели, может соединяться с сахаром. Это сродство, следовательно, может действовать и через вещества, находящиеся в разных соединениях с данным веществом. Я хочу показать вам, как замечательно сила химического сродства обнаруживается в процессе, называемом горением.

Если я возьму кусок фосфора, зажгу и накрою его колоколом, то вы увидите, что сгорание фосфора все-таки происходит благодаря химическому сродству (ведь горение всегда есть следствие химического сродства): фосфор при этом обращается в пар, который через некоторое время (к концу лекции) сгустится в хлопья, похожие на хлопья снега. Но что случится, если я ограничу количество воздуха, в котором происходит горение? Тогда фосфор погаснет.

Вот кусок камфары — вещества, которое очень хорошо горит в воздухе и даже, будучи положено в воду, плавает на ней и горит, ибо воздух имеет доступ к некоторым из его частиц. Но если я ограничу количество воздуха, поставив колокол над куском горящей камфары, как я теперь это делаю, то вы увидите, что она погаснет. Отчего же это происходит? Не от недостатка воздуха, — его еще много осталось под колоколом. Вы, вероятно, догадываетесь, что камфара гаснет от недостатка кислорода.

Это заставляет нас заняться вопросом о том, может ли кислород произвести более известного количества действия или работы. Кислород под этим колоколом (рис. 30) не может поддержать горения неограниченного количества свечи: как видите, она теперь погасла. Количество химического притяжения, или сродства, кислорода так же строго ограничено, как и притяжение тяготения, — оно не может перейти за известные пределы или не достигнуть, в конце концов, этих пределов.

Уничтожить определенное количество силы, действующее в этом кислороде, так же невозможно, как невозможно уничтожить тяготение, вес или ещё какую-нибудь из таких сил. И когда я говорил, что для образования воды 8 весовых частей кислорода соединяются с одной частью водорода, я подразумевал, что ни одно из этих веществ не может соединиться с другим в иной пропорции.

Невозможно, например, соединить десять частей кислорода с 6 частями водорода или 10 частей водорода с 6 частями кислорода: соединение, кислорода с водородом требует именно 8 частей первого и одну часть последнего. Теперь я именно таким образом ограничу это действие. Хлопок, находящийся в моих руках, очень хорошо горит в воздухе.

Я знаю случаи, когда бумагопрядильные фабрики были взорваны как бы порохом вследствие того, что мельчайшие частицы хлопка, распространенные в воздухе, случайно загорались и пламя быстро перекидывалось из одного конца фабрики в другой. Это свидетельствует о сродстве, существующем между хлопком и кислородом.

Если я зажгу плотно свернутый ком хлопка, то он скоро погаснет, потому что я ограничил доступ к нему кислорода и предохранил от его действия внутренность комка, так же как в том случае, когда окись, покрывающая кусок свинца, предохраняет его. Но вот немного хлопка, который особенным способом пропитан кислородом. Этот хлопок называется хлопчатобумажным порохом. Я зажигаю его, и вы видите горение, совершенно отличное от горения обыкновенного хлопка, потому что в него был заранее введен кислород, определенное количество которого требуется для горения. А вот несколько кусков бумаги, приготовленной ,подобно хлопчатобумажному пороху и пропитанной веществами, содержащими кислород. Этот кусок бумаги был пропитан азотнокислым стронцием, — вы видите великолепный красный цвет его пламени.

Вот лист бумаги, который, если не ошибаюсь, содержит барит, придающий его пламени красивый зеленый цвет. А вот бумага, пропитанная азотнокислой медью. Она не горит так ярко, как остальные, хотя пламя его очень красиво. Во всех этих случаях горение происходит независимо от кислорода воздуха. Здесь в ящике немного пороха. Я хочу показать, что он может гореть и под водой. Вы знаете, что мы насыпаем порох в ружье, отделяем его от воздуха, помещая над ним пулю, тем не менее, количество кислорода, содержащегося в самом порохе, достаточно для того, чтобы химическое действие частиц пороха могло проявиться. Проделаем следующий опыт.

Здесь имеется сосуд с водой, н в него погружается пороховой запал. Посмотрим, может ли вода потушить его. Сейчас он горит вне воды, а теперь и под ней, и он будет продолжать гореть, пока не выгорит весь. Это происходит только оттого, что в самом порохе содержится количество кислорода, необходимое для горения. Взаимное притяжение между частицами различного рода дает возможность проследить законы химического сродства и дивное разнообразие действия этих законов.

Теперь я хочу обратить ваше внимание на явления теплоты и света, как на одно из главных действий химического сродства.

Вы знаете, что при горении тела дают теплоту, которая не остается, а исчезает, как только действие прекращается. Значит, теплота зависит от данного действия только в течение того времени, пока оно продолжается. Не такова сила тяготения, эта сила действует непрерывно. Она заставляет, например, свинец давить на стол точно так же, как в то время, когда он упал на него. Здесь ничто не исчезает, когда падение кончается; давление на стол существует и будет существовать до тех пор, пока свинец не будет с него снят.

В противоположность этому образование света и теплоты при действии химического сродства немедленно прекращается с прекращением этого действия. Кажется, будто лампа постоянно производит свет и теплоту, но это происходит благодаря постоянному притоку воздуха со всех сторон. Образование лампой света и теплоты вследствие химического сродства прекратится, как только будет прерван приток в нее воздуха. Что же означает это замечательное условие проявления теплоты? Дело в том, что теплота есть проявление еще одной силы материи, пока для нас совершенно новой.

Сейчас рассмотрим теплоту так, как если бы мы впервые встретились с ней. Что такое теплота? Теплоту узнают по ее способностям превращать твердые тела в жидкие и жидкие в газообразные, а также по ее способности приводить в действие и очень часто преодолевать силу химического сродства. Как же получается теплота? Весьма различными способами, из них чаще всего посредством химического сродства, о котором мы сейчас говорили; однако можно получить теплоту и другими способами. Например, ее можно производить посредством трения. Первобытные народы Индии трут друг о друга два куска дерева до тех пор, пока дерево не нагревается до такой степени, что воспламеняется. Известны даже такие случаи, когда ветки дерева так сильно терлись одна о другую, что вследствие этого все дерево воспламенялось.

Я не думаю, что мне удастся трением зажечь эти два куска дереза, но я легко могу произвести, таким образом, достаточно теплоты, чтобы зажечь немного фосфора. Я сильно тру их друг о друга в течение одной минуты, затем стоит только положить на них кусок фосфора, и он загорается. Если вы возьмете гладкую металлическую пуговицу, укрепив ее в пробке, то трением о доску из мягкого дерева вы можете нагреть ее до такой степени, что будете в состоянии прожигать ею дерево, бумагу и зажигать спички.

Я покажу вам теперь, что кроме действия химического сродства мы можем производить теплоту и давлением воздуха. Для этого я беру маленький шарик из хлопка, смоченный небольшим количеством эфира, и помещаю в стеклянную трубку (рис. 31), в которую вставлю потом поршень и быстро его надавлю вниз. Этим давлением я смогу зажечь небольшое количество эфира пропитывающего хлопок. Давление на поршень должно быть непременно внезапным, иначе мы не достигнем того, что нам нужно.

Я сильно надавил поршень вниз, и вы видите пламя, происходящее от сгорания эфира в нижней части трубки. Нам нужно только иметь немного эфирных паров и всякий раз пускать в трубку свежее количество воздуха. При таких условиях мы можем повторять этот опыт сколько угодно, получая каждый раз при сдавливании воздуха теплоту, достаточную для зажигания паров эфира. Я думаю, что всего того, что вы уже видели и слышали, будет достаточно, чтобы объяснить вам образование теплоты.

Перейдем теперь к действию теплоты, потому что вы уже видели ее способность превращать лед в воду и пар и, следовательно, уже знаете два главнейших результата нагревания тел. Я хочу показать вам теперь, что теплота расширяет все тела за одним исключением и то лишь при некоторых определенных обстоятельствах. Г-н Андерсон будет держать лампу под этой ретортой, и вы увидите, что, как только она начнет нагреваться, воздух будет в изобилии выходить из горла реторты, погруженного в воду: теплота, действуя на воздух, наполняющий реторту, заставляет его расшириться.

Bот медный прут (рис. 32), который довольно свободно проходит через отверстие и точно входит в эту мерку; если же я нагрею его на спиртовой лампе, то он уже с трудом войдет и в мерку, а если бы я вложил его в кипящую воду, то он и вовсе не входил бы ни в отверстие, ни в мерку. С другой стороны, как только из тел выделяется теплота, они сжимаются. Смотрите, как воздух сжимается в реторте, после того как г. Андерсон удалил лампу: шейка реторты снова на полняется водой. Вспомните, что только-что я не мог пропустить прут через отверстие или вставить его в мерку, но как только я охладил его, опустив в холодную воду, он стал с величаишеи легкостью входить в отверстие и в мерку. Это яркое доказательство способности теплоты производить сжатие и расширение тел.

---

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