О сухом лимонаде и о том, чему посвящена эта книга
Что такое раствор
Между газом и кристаллом
Вода удивляющая и удивительная
С точки зрения физики
Распадающиеся на ионы
Кислоты и основания — так ли уж это просто?
Ионы в растворах
Через раствор идет ток
Растворимость
«Не только в воде»
Есть ли жизнь во Вселенной?
Text
                    Ю.Я. Фиалков
Необычные
свойства
обычных
растворов


Ю. Я. Фиалков Библиотечка Детской энциклопедии Редакционная коллегия: И. В. Петрянов (главный редактор), И. Л. Кнунянц, А. Л. Нарочницкий Необычные свойства обычных растворов Москва «Педагогика», 1978
О сухом лимонаде и о том, чему посвящена эта книга Июль. Жара. Хочется пить. Автоматов с газированной водой поблизости нет. Но неподалеку расположился киоск, на котором затейливой славянской вязью выведено «Русский квас». Однако квас, как выясняется, давно кончился. Распродан и напиток «Буратино». Продавщица может лишь предложить «Лимонный напиток». Что ж, отведаем лимонного. «Дайте два стакана». Однако продавщица вместо стакана протягивает два небольших пакета, в которых шуршит какой-то сухой порошок. Да, жажду удастся утолить лишь дома. Но зато есть начало книги о растворах, этой книги. Конечно, следовало бы начать с того, что тема «Растворы» — куда как важная, важнее не придумаешь! Потому что растворы — всюду. Чай — раствор. Одеколон — раствор. Морская волна — раствор. Рассол, в котором лежат огурцы, — раствор. Да и сам огурец — тоже раствор. Но ведь мало — взять и объявить, что растворы — это очень важно. Это надо еще и доказать. Вот этому и посвящена наша книга. В размышлениях о поразительной распространенности растворов в природе я добрался до дому. Беру пакет с «Лимонным напитком» и в соответствии с незамысловатой инструкцией, напечатанной на упаковке, насыпаю порошок в стакан и заливаю водой из-под крана. Порошок очень быстро растворяется, и сейчас же из образовавшегося раствора с бурным шипением начинают выделяться пузырьки. Пробую образовавшийся напиток: сладкий и, главное, газированный. Газ, что звонкими пузырьками выделяется сейчас из полусамодельного лимонада, конечно же не хранился в пакете. Он образовался при приготовлении напитка в результате химической реакции. В состав порошка входит (помимо сахара) пищевая сода и лимонная кислота.
А сода и кислота энергично взаимодействуют друг с другом, образуются при этом натриевая соль лимонной кислоты и углекислый газ. Как видите, все просто и никаких секретов. Просто? Никаких секретов? А почему, спрашивается, сода и лимонная кислота не взаимодействовали друг с другом, когда смесь была сухой? Почему для осуществления реакции эту смесь потребовалось растворить? Да потому, что Corpora non agunt soluta — «Тела (вещества) не взаимодействуют друг с другом, если не находятся в растворе». Это правило установили еще алхимики много веков назад. Мы настолько привыкли к тому, что химические реакции осуществляются в растворах, что в наших рассуждениях это обстоятельство выносим как бы за скобки, а нередко и вовсе забываем об этом. В самом деле, проведем один, так сказать, психологический эксперимент. Скажите, пожалуйста, что представляете вы себе при словах: «При взаимодействии щелочи и кислоты протекает реакция нейтрализации NaOH + HCl-*NaCl + Н2О». Вы, конечно, представили себе склянку со щелочью, из которой щелочь наливают в пробирку, куда затем из другой склянки добавляют кислоту. Вот и все. Все, за исключением того, что если уж вы сами не знаете, то сможете быстро установить с помощью любого справочника: NaOH, едкий натр, — твердое кристаллическое вещество, плавящееся при температуре 318°С; НС1, хлористый водород, — тот и вовсе газ, сжижающийся при —84°С. Как видим, участники приведенной реакции вовсе не жидкости. В описанном опыте сливали, конечно, не едкий натр и хлористый водород, а растворы этих веществ в воде. Дело известное. Неизвестно только, зачем и при чем здесь вода. Она, правда, образуется в результате взаимодействия щелочи и кислоты (и таким образом, по законам химических процессов вода должна препят-
ствовать протеканию реакции). Но из уравнения ясно видно, что вещества, вступающие в реакцию, никак в воде не нуждаются. Не нуждаются, а вот —ничего без нее не происходит. Как-то, каким-то непонятным (пока!) образом вода участвует в этой, да и в подавляющем большинстве остальных химических реакций, которые, как хорошо это знают химики, в 199 случаях из 200 протекают в растворах. Только одно это обстоятельство могло бы послужить достаточно категорическим обоснованием высказанного выше утверждения: растворы — это очень важно. А ведь перечень подобных аргументов можно было бы сильно расширить. Свойства растворов, описываемые в этой книге, названы необычными. Возможно, кто-то из читателей не согласится с таким определением. Дескать, много ли диковинного в том, что растворы солей проводят электрический ток, или в том, что раствор замерзает при температуре более низкой, чем чистый растворитель? Наука — она может объяснить все. А если что-нибудь еще и непонятно, то прояснится в будущем. Не стоит удивляться? Как сказать... Все зависит от того, как смотреть и какими глазами. Вот стоит дерево. Дерево как дерево. А задумаешься, каким образом углекислый газ и вода превратились в эту пышную крону, то и впрямь подивишься. Верно было сказано одним проницательным человеком, что наука начинается с удивления. Кто не видел, как падают выпущенные из рук предметы? А удивился этому Галилей. Кто не любовался ярким солнечным лучом? А поразился ему Ньютон. Кто не наблюдал замерзание воды? А счел это дивом диковинным Ломоносов. Вот почему каждая книга о науке — это всегда приглашение к удивлению. И я приглашаю вас — давайте вместе подивимся необычным, таким необычным свойствам таких обычных растворов.
Что такое раствор Вот уж что не должно составить труда — определение понятия «раствор». Раствор — это раствор. Все более чем очевидно. Но... Но давно известно: нет в науке ничего опаснее очевидных понятий. И определение, строгое определение понятия «раствор» это с очевидностью доказывает: РАСТВОР — ГОМОГЕННАЯ (однородная) ХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (смесь веществ), КАЖДЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОБЪЕМА (самая малая часть) КОТОРОЙ ОБЛАДАЕТ ОДИНАКОВЫМ ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ. Здесь в скобках дана расшифровка новых понятий. Следовало бы дать подобную расшифровку и прилагательного «термодинамический». Но термодинамический — это... термодинамический. И для того, кто этот термин не понимает до конца, лучше всего обратиться к учебнику физики или к вышедшей в серии «Ученые — школьнику» книге И. Р. Кричевского и И. В. Петрянова «Термодинамика для многих». Прочитайте приведенное определение еще раз. Вы заметили, что в нем не встречаются слова «жидкость», «жидкий»? Выходит, раствор может быть газообразным или, смешно сказать, твердым? Выходит, что может. Воздух— и впрямь раствор: однородная смесь газов. И золотое кольцо — тоже раствор, твердый раствор: однородный сплав золота и меди, каждая самая малая часть которого совершенно одинакова по всем свойствам. Вот почему растворы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые. Разумеется, жидкие растворы в природе, технике и промышленности распространены в большей степени, чем их газообразные или твердые собратья. И поэтому в этой книге мы будем вести речь
именно о жидких растворах. Таким образом, читателю не придется изменять своему уже установившемуся представлению о растворах. Но все же следует помнить, что раствор — это не только то, что можно переливать; иногда раствором можно оцарапаться. Между газом и кристаллом Что написано в учебниках. Итак, в центре нашего внимания — жидкое состояние вещества. И поэтому совсем нелишне будет разобраться в том, что такое жидкость. Надеюсь, читатель уже понял, что «очевидными» определениями, вроде того, что «жидкость — то, что льется», не обойтись. Поэтому обратимся к учебникам. Читаем: «Жидкость — промежуточное состояние между кристаллом и газом». Определение, несомненно, верное. Но все же... что такое жидкость? Во втором учебнике говорится: «В кристаллических веществах — четко выраженная структура (т. е. положение относительно друг друга частиц, составляющих кристалл), в газе структура совершенно отсутствует, а жидкость в этом плане занимает промежуточное положение». Боюсь, что от этого определения понятие «жидкость» вразумительнее не стало. Но, может быть, нам повезет с третьим учебником, в котором, однако, сказано: «В кристаллах молекулы сильно взаимодействуют друг с другом, в газах это взаимодействие столь мало, что им часто попросту можно пренебречь, жидкости же по энергии межмолекулярного взаимодействия занимают промежуточное положение между кристаллами и газами». Вот как... Всего только мы и вьшесли из подобных определений, что жидкость — это нечто такое, что от газа ушло достаточно далеко, но к кристаллу не приблизилось нисколько.
Все процитированные определения приведены вовсе не для того, чтобы иронизировать над авторами учебников. Подобная неопределенность понятия «жидкость» связана с тем, что физика очень долго не могла составить четкого представления об особенностях жидкого состояния. Кристалл или газ? Строение кристалла (полная упорядоченность) и газа (полный беспорядок) ученые представляли себе достаточно четко едва ли не в античные времена. А вот с жидкостями дело застопорилось. Установить, что они занимают промежуточное положение между кристаллами и газами, было несложно — этот факт лежал, так сказать, на поверхности. А вот нырнуть вглубь оказалось делом непростым. Только XX век (и даже не первые его десятилетия) внес некоторую, впрочем, довольно относительную ясность в вопрос, что такое жидкость. Во всяком случае, сегодня мы можем жидкостям отводить вполне определенное, а не какое- то невыразительное «промежуточное» место в учении об агрегатном состоянии вещества. Начать придется все же с сопоставления жидкого состояния с двумя другими основными агрегатными состояниями — твердым и газообразным, ибо все познается в сравнении, и природа жидкого состояния в этом смысле исключения не составляет. Одним из наиболее типичных признаков кристаллического вещества является строго определенная форма, которую оно без внешних воздействий не изменяет. Жидкость послушно принимает форму того сосуда, в который она помещена, причем жидкость стремится занять как можно меньший объем. Газ же, предоставленный сам себе, неудержимо стремится разбежаться, т. е. увеличить объем. В газе, жидкости и в кристалле молекулы безостановочно движутся. Оказывается, характер этого движения самым определяющим образом связан с агрегатным
состоянием, в котором находится вещество. Частицы, образующие кристалл, не обладают никаким поступательным движением, они только, подобно маятнику, колеблются относительно какого-то положения равновесия. В газе, напротив, молекулы движутся весьма привольно. Длина свободного пробега молекулы газа (т. е. средняя протяженность пробега молекулы до столкновения ее с другой молекулой) составляет целых 10~5 см, одну стотысячную долю сантиметра. Это очень много. Ведь 10~5 см примерно в тысячу раз больше диаметра молекулы. Действительно, если вы проживаете в местности, где до ближайшего соседа надо добираться полтора, а то и два километра, то перенаселенной эту местность никак не назовешь. В жидкости же молекулы могут передвигаться разве только на один «шаг» — на расстояние, равное диаметру молекулы (10"8 см). Это уже походит на толпу. Знакомство с литературой, посвященной строению жидкости, быстро обнаруживает, что существуют точки зрения, которые, кажется, исключают друг друга. В одних статьях и книгах пишут, что жидкость — это почти что кристалл: такая же строгая структура и энерг гия взаимодействия между частицами, молекулами, весьма близко приближающаяся к энергии взаимодействия между частицами в кристаллах, но значительно превышающая энергию взаимодействия в газе. Авторы других научных работ отстаивают точку зрения, согласно которой жидкости своими родственными узами связаны вовсе не с кристаллами, а с газами. Действительно, частицы в жидкости движутся почти так же хаотично, как и в газе. А при достаточно высокой температуре (своей для каждого вещества), называемой критической, и вовсе исчезает различие между газом и жидкостью — физики это знают очень хорошо. Кто же прав? Правы все. Бывает (и не только в науке) такая ситуация, когда в споре правыми оказываются обе стороны.
Соседи в жидкости. Первым навел мосты между сторонниками теорий «кристаллической» и «газообразной» жидкости известный английский химик Джон Бернал, в будущем председатель Всемирного Совета Мира. Эксперимент, который предпринял Бернал в 30-х годах, внешне напоминал немудреную детскую забаву. На металлический противень, поверхность которого намеренно была изборождена хаотичными неровностями, Бернал высыпал горсть мелких стальных шариков. Шарики должны были моделировать молекулу жидкости. А затем Бернал обильно полил «молекулы» краской. После того как краска застыла, экспериментатор осторожно, по одному, отделял шарики и рассматривал их через лупу. Там, где шарики соприкасались друг с другом, на поверхности оставались незакрашенные точки. Подсчет точек позволил определить число ближайших соседей каждой молекулы. И тут вдруг выяснилось, что... Но прежде следует пояснить, как обстоит дело с соседями в кристалле. Обычный кристалл представляет собой по сути одну большую молекулу. Вот на рисунке фрагмент (увеличенный, конечно) кристалла хлористого натрия. Как видим, очень простая и вместе с тем строгая структура: каждый ион окружен 8 соседями — вокруг каждого катиона Na+ находится 8, и только 8, анионов С1~, вокруг каждого аниона С1~ — 8, и только 8, катионов Na+. В других кристаллах число постоянных соседей будет равно 4 или 6, но, главное, оно в каждом данном кристалле постоянно. О числе соседей в газе говорить не приходится, там их, соседей, можно считать, нет. А что касается жидкостей, то, как выяснилось в опытах Бернала, число соседей у каждой молекулы в жидкости непостоянно. Хотя число соседей в жидкости, как и в кристалле, невелико (не более 10), но одна молекула окружена в данный момент 5 соседями, другая — 7 и т. д. 10
i J y*£- jg y Щ Y* \ 4 Y* С у i У A С r^ A % d л Y У Y A 4 к ч f > j A V i A . X. л i. ►- 1 Г . Л l Д >^ —>• Кристаллическая решетка хлористого натрия. Впрочем, налицо были все признаки упорядоченности, потому что можно было подсчитать, и достаточно точно, сколько молекул жидкости в какой-то момент имеют 6 соседей, а сколько — 8. А это в свою очередь позволило считать жидкость кристаллоподобной, как бы состоящей из смеси очень маленьких кристалликов. Но «подобный кристаллу» — это все же не кристалл. И изменение свойств жидкости при нагревании это доказывало с наглядностью. Чем выше температура жидкости, тем энергичнее движутся молекулы, тем менее устойчивы микрокристаллики. И тем больше, следовательно, жидкость напоминает газ. И кристалл и газ. Все сказанное позволяет сделать весьма важный вывод относительно структуры жидкости: при температурах, близких к температуре замерзания, жидкость по своим свойствам приблизкается к кристаллу; при температурах, близких к температуре кипения, — к газу. Но как бы то ни было, жидкость не хаос. И это с бесспорностью доказали эксперименты по рассеянию жидкостями рентгеновских лучей. Если в образце исследуемого вещества молекулы ориентированы как попало, хаотично, то они будут рассеивать направленные на них рентгеновские лучи тоже как попало: в 11
Структура кристалла хлористого натрия. рассеянном излучении не будут наблюдаться никакие закономерности. В рассеянии рентгеновских лучей от газа, понятно, никаких закономерностей не обнаруживается. В случае же кристаллов закономерности рассеяния, и это тоже понятно, проявляются очень отчетливо. Эти закономерности тесно связаны со строением кристалла. Именно поэтому рентгенография стала мощным средством изучения кристаллов. В рассеянном от молекул жидкости рентгеновском излучении закономерности обнаруживаются не так отчетливо, как у кристаллов, но достаточно четко, во 12
всяком случае, для того чтобы говорить о закономерностях в строении жидкости. Изучением рассеяния рентгеновских лучей жидкостями много занимался советский физик В. И. Данилов, который начиная с 30-х годов последовательно изучал с помощью рентгенографии структуру многих типов жидкости. В научной литературе, посвященной жидкостям, часто можно встретить термины «ближний порядок» и «дальний порядок». Теперь, когда мы, пусть в самых общих чертах, познакомились со строением жидкости, понять эти термины не составит труда. Кристаллы являют собой пример дальнего порядка. Действительно, на любом отдалении от какой-либо структурной ячейки кристалла можно встретить точно такую же ячейку. Не то в жидкости. Правильная упорядоченность сохраняется лишь на очень малых расстояниях, что-то около диаметра одной молекулы. Вот почему порядок в жидкости — ближний. Ну а в газе, как понятно, нет никакого порядка — ни ближнего, ни тем более дальнего. Да, жидкость — это действительно промежуточное состояние между кристаллом и газом. Но теперь уже это прилагательное наполнено для нас совсем иным содержанием. Свойство, присущее только жидкостям. В свое время этот снимок обошел газеты почти всех стран: в кабине космического корабля перед космонавтом неподвижно висит шар. Физики давно предвидели, что любая жидкость, в том числе и вода, будучи предоставленной сама себе, т. е. находящаяся без поля тяготения и без сосуда, примет форму шара, потому что среди тел любой мыслимой формы, но одинакового объема именно шар обладает наименьшей площадью поверхности. И теперь физикам очень приятно было убедиться в собственной правоте. Стремление жидкости как можно сильнее уменьшить свою поверхность связано с особым свойством 13
Схема возникновения поверхностного натяжения. жидкости, которое называется поверхностным натяжением. Вот перед нами на рисунке увеличенный в громадное число раз малый элемент объема жидкости. Стрелки, идущие от каждой молекулы, означают силы, которыми молекулы в жидкости притягиваются друг к другу. Из схемы видно, что молекулы, находящиеся в глубине, достаточно сильно отличаются от молекул, расположенных на поверхности жидкости. Если у «глубинных» молекул насыщены все силы сродства, то у «поверхностных» молекул компенсирована лишь часть этих сил. Поэтому молекулы, расположенные на поверхности, испытывают особенно сильное притяжение друг к- другу. Можно сказать, что каждая жидкость с поверх- 14
ности как бы покрыта особой самостягивающейся пленкой, состоящей из слоя толщиной в одну молекулу. Эти силы, стягивающие поверхность жидкости, и называются поверхностным натяжением. Именно благодаря поверхностному натяжению тонкая пластинка металла, обладающего значительно большей плотностью, чем жидкость, плавает на ее поверхности. Именно благодаря этому свойству по поверхности воды, деловито перебирая лапками, ходит, как посуху, жук-водомерка. И наконец, именно поверхностное натяжение стягивает жидкость в кабине космического корабля в шар, поверхность которого минимальна. До сих пор мы вели разговор о свойствах, присущих всем жидкостям. Теперь же поговорим о воде. Такое выделение воды из громадного числа жидкостей вполне оправдано. Во-первых, хотя растворы можно приготавливать на основе любого растворителя, любой жидкости (об этом пойдет речь в последующих главах книги), но с водными растворами приходится сталкиваться несравненно чаще, чем с неводными. А во-вторых... Самое главное и заключается в этом «во-вторых». Вода удивляющая и удивительная При обычном атмосферном давлении вода должна была бы закипать при — 70 ° С. Здесь стоит именно минус, а не тире. А выделенное слово означает, что вода действительно обязана кипеть на 170 градусов ниже, чем она закипает в действительности. Замерзать же воде положено при —90° С, а вовсе не при 0°. И лед, образующийся при этом, должен был бы сразу тонуть, а не плавать на поверхности воды. И из плохо закрученного крана вода не должна была бы капать, а должна была бы литься тоненькой струйкой. 15
А сахар в воде должен был бы растворяться медленно и плохо — в лучшем случае несколько крупинок на стакан воды. Так что меда в природе быть не должно. И сладкий чай или варенье тоже не имеют особых прав на существование. Неумеренное количество глаголов в сослагательном наклонении означает лишь удивление перед необычным, действительно во всех отношениях необычным поведением воды. Не более чем удивление, потому что (надеюсь, читатель это понял) автор, употребляя глагол «должен», вовсе не намерен навязывать природе свой вкус (это было бы, конечно, во всех отношениях пустым занятием). Сейчас осталось немногое — обосновать, объяснить, почему вода должна была бы себя вести «иначе», а тем не менее ведет себя «так». В физике и химии существует вряд ли подсчитываемое число закономерностей, установленных на основании подобия. Сейчас попробую пояснить, что имею в виду. Представим себе достаточно экстравагантную, даже фантастическую ситуацию: вода химикам неизвестна, более того, она еще не синтезирована. И какой- то ученый только собирается приступить к получению соединения водорода с кислородом. И для этого ему надо составить прогноз относительно важнейших свойств этого вещества — «кислородоводорода». Проследим за цепочкой рассуждений нашего химика. Кислород расположен в VI группе периодической системы Д. И. Менделеева. Вместе с кислородом в этой группе (точнее, в подгруппе) находятся сера, селен и теллур. Надо проследить за закономерностями изменения температур кипения и замерзания соединений этих элементов с водородом и на основании установленной закономерности составить прогноз относительно температур кипения и замерзания еще не полученного соединения Н2О. 16
Химик снимает с полки объемистый справочник, листает его несколько минут и быстро составляет табличку: Соединение Теллуроводород Селеноводород Сероводород «Кислородоводород» (вода) формула Н2Те H2Se H2S Н2О Молекулярная масса 129 80 34 18 Температура кипения -4 -42 -61 ? Температура замерзания -51 -61 -82 ? Теперь остается сделать немногое: химик строит график, откладывая по оси абсцисс молекулярную массу, а по оси ординат — соответственно температуру кипения или температуру замерзания. Вот он, этот график. Нанесенные точки химик соединяет плавными кривыми, которые продолжает до пересечения с ординатой, отвечающей молекулярной массе «кислородоводорода». Действительно, кривая температур кипения пересекает ординату воды в точке —70°С, а кривая температур замерзания — в точке —90° С. Как видим, вода действительно должна (была бы!) кипеть и замерзать при гораздо более низких температурах, чем это наблюдается в действительности. Конечно, такое несовпадение прогноза с действительным положением вещей причинит много неприятностей нашему химику. Проводя эксперимент, он предпримет целый ряд предосторожностей против того, чтобы синтезируемый им «кислородоводород» не улетучился. Для этого он поместит реакционный сосуд в твердую углекислоту (сухой лед), а вероятнее всего — в жидкий воздух. Проведя реакцию и обнаружив кри- 17
сталлы, химик поначалу обрадуется, но, когда он нагреет их до —90°, а они не расплавятся, химик немного (пока еще немного) удивится. Но когда он будет продолжать нагревание и до — 70° («кислородоводород» должен был бы уже давно расплавиться и даже закипеть!) и до —50° и т. д., а кристаллы и не подумают плавиться, тут химик загрустит. И грустить ему еще долго: нелегко понять истоки этих двух первых (в данном случае связанных с температурами плавления и кипения), но далеко не последних аномалий воды. Теплоемкость воды. Рассказ о следующей аномалии воды лучше всего, пожалуй, начать с описания... ощущений неопытного путешественника, впервые попавшего в пустыню Сахару (Каракумы, Долину Смерти и т. д.). Путешественник, конечно, предполагал, что в пустыне жарко, но чтобы до такой степени... От раскаленного песка веет таким нестерпимым жаром, что кожа на участках тела, не защищенных одеждой, кажется, лопнет. Скорее бы зашло солнце и наступила долгожданная прохлада. И солнце заходит. И действительно сразу же становится прохладнее. Еще прохладнее. Совсем прохладно. Холодно. Очень холодно. Подумать только, что такой холод почти у экватора. Скорее бы взошло солнце... Конечно, у читателя возник вопрос: причем здесь пустыня Сахара в этой главе книги, где речь идет о воде? Ведь чего-чего, а воды в Сахаре как раз и нет. Именно в этом и лежит причина только что описанного климатического своеобразия пустынь. Для того чтобы поднять температуру 1 г разных веществ на 1 градус, надо затратить, как это хорошо известно, разное количество тепла. В случае ртути на это пойдет немногим больше 0,1 Дж, для серной кислоты — около 1 Дж, для этилового спирта — чуть больше 2 Дж. Но чемпионом, абсолютным чемпионом здесь будет вода. Для того чтобы повысить температуру 1 г 18
воды на 1 градус, требуется 4,2 Дж. Да, теплоемкость воды — а здесь идет речь именно об этом свойстве — намного превышает теплоемкость подавляющего большинства других веществ. В местностях, богатых водой, даже при сильно палящем .солнце температура поднимается сравнительно медленно: значительная часть приходящего тепла захватывается водой. Но и после того, как светило скрывается за горизонтом, температура в таких местностях падает тоже медленно: вода постепенно отдает воздуху значительное количество тепла, накопленного ею. Вот почему вода слузкит прекрасным регулятором климата. И вот почему температура в, скажем, близкой к морю Прибалтике летом редко превышает +20°, но зато и зимой редко опускается до — 10°. В лежащей на той же широте области Якутии колебания температуры во много раз больше —от +40° летом до —50° зимой. Теперь становится ясным, что именно должен был учесть путешественник, отправившийся в Сахару. Воды в Сахаре нет. Зато есть песок. Теплоемкость песка впятеро меньше, чем воды. Поэтому днем под жарким солнцем песок быстро, очень быстро нагревается — ему для этого тепла требуется совсем немного. Но зато ночью песок, отдав весь свой небогатый запас тепла, быстро остывает. И именно поэтому в южных пустынях по ночам так холодно, очень холодно. Чтобы вода закипела. Возьмите любую жидкость (не обязательно воду) и, предварительно опустив термометр, начинайте ее нагревать. Термометр, понятно, начнет фиксировать повышение температуры жидкости. Но как только появятся первые пузырьки пара, свидетельствукгцие о начале кипения, столбик ртути в термометре застынет на месте и будет пребывать в неподвижности до тех пор, пока не испарятся последние капли жидкости. После этого температура начнет повышаться, но это будет нагреваться уже пар. 19
График зависимости температуры кипения и замерзания гидридов элементов VI группы. ЮО\ -4° -100 18 34 50 80 100 Молекулярная масса Н2О H2S H2Se 129 150 Н2Те Наши наблюдения можно выразить графиком, на котором изображена зависимость температуры от количества подводимого тепла (если считать, что в единицу времени к сосуду подводится одно и то же количество тепла, а так оно чаще всего и бывает, то на оси абсцисс можно проставлять вместо единиц теплоты также и время). Процессу кипения на графике отвечает горизонтальный участок. Легко понять, почему при кипении температура жидкости, несмотря на то что к ней подводится тепло, остается постоянной. Тепло расходуется на то, чтобы придать молекулам энергию, необходимую для отрыва 20
от жидкости и перехода в пар. Вот это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы 1 г жидкости при температуре кипения перевести в пар, называется скрытой теплотой испарения (парообразования). Теперь сущность термина стала полностью понятной, даже слово «скрытая» здесь оказывается уместным: действительно, подвод тепла к жидкости проходит как бы скрыто, потому что не влечет за собой изменения температуры. Читатель, по-видимому, подготовлен к тому, что и по величине скрытой теплоты парообразования вода является абсолютным чемпионом. Еще бы! Для того чтобы заставить испариться 1 г воды, находящейся при нормальном атмосферном давлении, надо затратить целых 2260 Дж. На перевод же в пар 1 г ртути уходит всего 290 Дж, для бензола эта величина составляет 390 Дж, а для этилового спирта — около 850 Дж. Нам еще предстоит выяснить, в чем причина и этой аномалии воды. Но сразу же можно отметить, что эта аномалия безусловно полезная. Не имей вода такой высокой теплоты парообразования, вряд ли на нашей планете были бы реки и озера, да и с океанами дело бы обстояло не так хорошо — большая частв воды, а то и вся вода находилась бы в виде паров в атмосфере. Хорош был бы ландшафт нашей планеты, которая не имела бы жидкой воды, но зато была бы окутана плотной и непроницаемой атмосферой, состоящей почти сплошь из паров воды! Высокое значение скрытой теплоты испарения воды объясняет и регулирующее действие воды на климат планеты. Вода, испаряясь, охлаждает атмосферу, а проливаясь дождем, нагревает ее. Кто засомневался в том, что облака и дождик могут оказывать сильное влияние на климат планеты, пусть учтет, что за один час на Земле испаряется и, следовательно, конденсируется 50 кубических километров воды. Подсчитайте, какому количеству джоулей соответствует этот процесс. 21
График скрытой теплоты испарения. °Н 500 СО I с j£ 200 к (0 2 100 е; о о 2260 Дж Скрытая теплота испарения ||Т | 1 П i _L 2000 2500 3000 3500 4000 Тепловая энергия (Джоули) После сказанного совсем нетрудно будет пояснить, что такое скрытая теплота плавления, та теплота, которая необходима для того, чтобы расплавить 1 г кристалла, находящегося при температуре плавления. График зависимости температуры системы от подводимого тепла (от времени) будет походить на предыдущий график, как близнец. Судите сами, вот он, этот график. Действительно, похож на предыдущий. Только здесь горизонтальный участок отвечает процессу плавления. Конечно, и в этом случае вода ведет себя аномально. Скрытая теплота плавления у нее (335 Дж) почти в 30 раз больше, чем у ртути, втрое больше, чем у бензола и этилового спирта. И это обстоятельство в свою очередь оказывает сильное влияние на климат планеты. Вы, несомненно, обратили внимание на то, что в большинстве случаев обильный снегопад сопровожда- 22
График скрытой теплоты плавления. 335 Дж Скрытая теплота 500 Тепловая энергия (Джоули) 1500 ется заметным потеплением, причина которого очевидна: каждый грамм воды, превращаясь в красивые снежинки, возвращает воздуху те самые 335 Дж, которые он в свое время позаимствовал у него. А если учесть, что снег большей частью образуется непосредственно из паров воды, то сюда следует приплюсовать те две тысячи с лишним джоулей, которые составляют скрытую теплоту испарения. И еще ряд аномалий. Раз мы заговорили о льде, то тут естественно вспомнить об одной аномалии воды, связанной со свойствами именно кристаллической модификации этого вещества. Как великолепно искусство Ирины Родниной и Александра Зайцева, когда они, сопровождаемые прекрасной музыкой, несутся по льду Дворца спорта! 23
Предыдущие две фразы тесно связаны. Потому что речь идет об аномальном изменении свойств льда с изменением давления. Конькобежец так легко катится по льду потому, что под давлением, которое оказывают на лед лезвия коньков, лед плавится и образующаяся жидкая вода является великолепной смазкой. Об этом знают все. Но не все знают, что этого быть не должно. Потому что у всех иных веществ, сколько их насчитывает химия, за исключением разве двух-трех, при повышении давления температура плавления не понижается, а повышается. У воды же наоборот: понижение давления ведет к понижению температуры плавления льда. Поверхностное натяжение... И здесь вода никого не пропустила вперед. Разыщите таблицу, в которой приводятся величины поверхностного натяжения жидкостей. У подавляющего большинства жидкостей эта величина составляет 20—30 ди^см. И только у воды — 73! Природа в полной мере использовала и эту аномалию воды. Скажите, вы никогда не задумывались, каким образом влага поднимается от корней к верхушкам высоких деревьев? Ведь в соответствии с известными законами механики невозможно путем создания разности давлений осуществить самопроизвольный подъем воды на высоту более 10 м. Впрочем, в растениях природа подъема воды иная, капиллярная. Известно, что если опустить в жидкость капилляр, то жидкость в нем поднимется. Подъем этот будет тем больше, чем меньше диаметр капилляра и чем выше поверхностное натяжение жидкости. Для нашего рассказа о растворах очень важна еще одна аномалия воды — аномалия диэлектрической проницаемости. Несмотря на достаточно мудреное название, происхождение которого мы сейчас устанавливать не станем, диэлектрическая проницаемость — свойство жидкости, определение которого достаточно очевидно: 24
величина, показывающая, во сколько раз энергия взаимодействия между зарядами в этой жидкости меньше, чем в вакууме. В таблице, в которую сведены данные по диэлектрической проницаемости жидкостей, значится, что величина этого свойства у бензола составляет 2,27. Это означает, что какие-то два заряда взаимодействуют друг с другом в бензоле в 2,27 раз слабее, чем в вакууме. С помощью той лее таблицы мы устанавливаем, что подавляющее большинство жидкостей характеризуется значениями диэлектрической проницаемости в интервале 2—10. Существует ряд жидкостей, их, правда, немного, у которых диэлектрическая проницаемость достигает 35. Даже в самой подробной сводке, где приведена диэлектрическая проницаемость тысяч веществ, с трудом можно отыскать десяток жидкостей, у которых величина этого свойства располагается в интервале 40—60. И только теперь начинаешь понимать исключительность воды и в этом отношении: диэлектрическая проницаемость воды составляет 78. Только две-три жидкости могут похвалиться, что обладают диэлектрической проницаемостью большей, чем вода (к ним относится, например, серная кислота). Как построена молекула воды. Разговор об аномалиях воды можно было бы вести и дальше. И вышел бы он таким обширным, что занял бы всю эту книгу. Но ведь эта книга не о воде, а о растворах. Поэтому пора уже приступить к объяснению перечисленных (и многих не упомянутых здесь) аномалий воды. Скажем сразу, многие, если не все, необычные свойства воды проистекают от строения ее молекулы. С позиций, так сказать, геометрических в строении воды трудно усмотреть что-либо необычное: атом кислорода, к которому присоединены два атома водорода (читатель, разумеется, понимает, что палочки, связыва- 25
Молекула воды. Ассоциаты молекул воды. ющие атомы кислорода и водорода, воображаемые). Конечно, все составляющие молекулу Н2О атомы лежат в одной плоскости (через три точки всегда можно провести плоскость). Важная деталь: угол между связями О—Н составляет 109°. Это обстоятельство предопределяет многое. Приводит это прежде всего к тому, что отрицательный заряд молекулы воды (кислород) и положительный заряд (водород) собрались как бы на разных концах молекулы. Поэтому в целом электронейтральная, 26
конечно, молекула воды имеет положительный и отрицательный полюса. Молекулы, у которых разделены положительные и отрицательные заряды, называются дипольными, или диполями. Степень разделения зарядов характеризуется величиной дипольного момента: произведением величины зарядов на расстояние между ними. Для такой небольшой и простой молекулы, как Н2О, дипольный момент ее весьма высок — почти вдвое больше, чем у ближайшего химического родственника воды — сероводорода H2S, почти в 7 раз больше, чем у двуокиси азота NO2. Наличие значительного дипольного момента у воды приводит к тому, что ее молекулы-магнитики сильно притягиваются друг к другу. Они могут объединяться попарно и даже в квартеты. На рисунке приведена схема таких агрегатов, которая наглядно объясняет, как происходит взаимодействие. Уже это одно приводит к выводу, что жидкая вода не просто совокупность одиночных молекул Н2О. Это смесь молекул различной степени сложности. Водородная связь. Теперь разговор пойдет о некоторых особенностях атомов водорода. Тема выбрана не случайно: в воде 2/3 атомов — это водород. Имеется одна особенность, которая резко, именно резко, отличает водород от всех остальных элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Все химические элементы, которые в реакциях отдают электроны (болыпей частью это металлы), все же после этого остаются с какими-то электронами. Литий, отдав в реакции один электрон, остается еще с двумя электронами. Натрий, перейдя из состояния нейтрального атома в состояние катиона, остается с целым десятком электронов, калий — с 18 электронами и т. д. Словом, любой химический элемент, образуя химическую связь, остается с большим или меньшим числом электронов. Любой, но не 27
водород. Потому что у водорода всего-то только и есть, что один электрон. Отдав его, водород остается совсем без электронной оболочки. Другими словами, то, что мы называем катионом водорода, Н+, есть голое ядро, элементарная частица протон. Размеры атомного ядра во много раз — примерно в 100 000 — меньше размеров атома. Поэтому катион Н* по сравнению с другими однозарядными катионами, например Li+, Na+, K+ и другими, обладает нечувствительными размерами. В соответствии же с известным законом физики тела, обладающие одинаковым зарядом, создают поле, напряженность которого обратно пропорциональна квадрату их радиуса. Поэтому напряженность поля, которое создает протон, в громадное количество раз превышает напряженность поля, создаваемого другими катионами. Это обстоятельство и обусловливает необычность поведения катиона водорода. Вступив во взаимодействие с анионом кислорода О2~, два катиона Н+, казалось бы, должны были нейтрализовать заряды*. Да, так произошло бы, если к О2~ присоединились «нормальные» катионы, например Na+ или К+, образовавшие «нормальные» соединения Na2O или К2О. Но поле, создаваемое протоном в соединении Н2О, не насыщается отрицательными зарядами кислорода. Катионы водорода еще сохраняют способность вступать во взаимодействие. Эта дополнительная связь, которую образует водород, так и называется водородной. Посмотрите на рисунок. Каждый атом водорода соединен с двумя атомами кислорода. Поэтому кислород как бы удваивает свою валентность — он соединен одновременно с четырьмя атомами водорода. Водородная связь и является тем основным фактором, который заставляет молекулы воды крепко дер- * Схема возникновения связи в молекуле Н2О дана приближенно. 28
Молекулы воды, соединенные через водородную связь. жаться друг за друга. Слово «крепко» в данном случае применено вполне к месту: общая энергия водородных связей в 1 грамм-молекуле воды (18 г) составляет примерно 25 кДж. Именно поэтому молекулы в жидкой воде испытывают сильнейшее притяжение друг к другу. Это обстоятельство, в частности, оказывается причиной того, что вода является практически несжимаемой жидкостью. Молекулы воды, энергично притягивающиеся друг к другу, создают громадное внутреннее давление в жидкости, что-то около 20 000 атм. Аномалии находят объяснение. Водородные связи являются причиной многих из перечисленных (и неупомянутых) аномалий воды. Аномально высокие температуры кипения и плавления. Ну, здесь настолько все ясно (водородная связь заставляет молекулы воды так крепко держаться друг за друга, что для «расшатывания» этой связи и необходима высокая температура), что уже придется пояснять, 29
почему же, судя по всему, водородная связь отсутствует у водородных соединений других элементов VI группы — H2S, H2Se и Н2Те. Несмотря на внешнее (по написанию формул) подобие, соединения Н2О, H2S, H2Se и Н2Те существенно отличаются друг от друга, и первое от трех последних в особенности. Кислород притягивает к себе электроны очень энергично. Можно сказать, что он получает электроны водорода в полное свое владение. Вот и остается водород в соединении Н2О обездоленным, т. е. безэлектронным протоном. Сера оттягивает на себя электроны уже гораздо менее интенсивно, во всяком случае в сравнении с кислородом. Поэтому электроны в этом соединении находятся как бы в общем владении — серы и водорода. Вот почему в сероводороде водород не лишен электронной оболочки. А раз так, то водород в H2S лишается той исключительной способности, какой он наделен в том случае, когда соединен с кислородом, — способности образовывать водородную связь. Еще менее эта способность свойственна водороду в селеноводороде и теллуроводороде. Аномалия теплоемкости. И здесь корень зла в водородной связи. Повышение температуры, по сути, означает, увеличение скорости движения молекул. Понятно, что на ускорение молекул воды, зафиксированных водородными связями, надо затратить значительно больше тепла, чем на такое же повышение температуры жидкости, молекулы которой не так крепко держатся друг за друга. Вряд ли стоит особенно долго останавливаться на пояснении аномалий скрытых теплот испарения и плавления. На что расходуются эти килоджоули в данном случае, ясно: помимо обычных уз, которые привязывают молекулу любой жидкости к ее подругам, здесь необходимо еще разорвать и водородные связи. 30
Поверхностное натяжение воды, вернее, аномально высокое значение этого свойства также объясняется тем особо тесным притяжением молекул воды, которое возникает вследствие водородных связей. С точки зрения физики Мера раствора — концентрация. О каких бы особенностях раствора ни шла речь, первой его характеристикой будет концентрация, потому что именно от концентрации зависит большинство свойств раствора. Концентрацию соли в рассоле либо сахара в стакане чая можно определить по вкусу. Но вряд ли стоит ориентироваться на этот показатель, на который, как известно, двух товарищей (т. е. двух согласных) сыскать трудно. Поэтому для научных целей предпочитают концентрацию раствора выражать более объективными показателями. Хотя бы с помощью процентов, т. е. через количество граммов растворенного вещества, приходящееся на 100 г раствора. Способ этот часто применяется в быту (в аптеке продается 30%-ная перекись водорода, в бакалейном магазине — 6%-ная уксусная кислота, в молочном магазине — 20%-ные сливки). В физике же и химии к процентному способу выражения концентрации прибегают редко. Причина ясна: взаимодействуют друг с другом не граммы, а атомы. А если сопоставить два раствора различных веществ и одинаковой процентной концентрации, то очевидно, что одинаковые объемы их содержат различное количество молекул (грамм-молекул). Именно поэтому вы еще в самом начале изучения школьного курса химии знакомитесь с более «объективным» способом выражения концентрации раствора — молярным, а именно количеством грамм-молекул (молей) растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора. 31
Пользоваться молярной концентрацией значительно удобнее, чем процентной: два различных раствора, характеризующихся одинаковой молярной концентрацией, в равных объемах содержат одинаковое число молей и, значит, молекул растворенных веществ. Теперь познакомимся с новым для вас способом выражения концентрации — мольно-долевым. В данном случае концентрацию выражают через отношение числа молей растворенного вещества к сумме молей растворенного вещества и растворителя. Так, если количество молей растворенного вещества составляет т, а количество молей растворителя ms, то мольная доля растворенного вещества N будет равна: N^-^r— . tn-ггщ Понятно, что мольно-долевая концентрация всегда меньше 1. Существенно важно и то, что, в отличие от предыдущих способов выражения концентрации, мольно-долевая концентрация — величина безразмерная. Много, очень много различных способов выражения концентрации растворов — размерных и безразмерных, объективных и не очень, простых и сложных — придумали ученые, и, конечно, всех их не перечислить. Мы упомянем только еще один — так называемую мо- ляльную концентрацию: количество молей растворенного вещества, приходящееся на 1000 г растворителя. Об одном генерал-законе. Молено считать, что законы природы подразделяются по табелю о рангах: имеются законы нужные и необходимые, полезные и всеобщие, просто важные, очень важные и, наконец, самые важные. Автор не настаивает на этой в значительной степени эмоциональной классификации. Но в том, что законы располагаются по какому-то своему табелю о рангах, сомневаться не приходится. В естествознании, т. е. в совокупности наук о природе, самым основным, так сказать, генералиссимус-зако- 32
ном, несомненно, является закон сохранения энергии. В каждой же отдельной отрасли естествознания имеются свои маршал-законы. В физике — это закон эквивалентности массы и энергии (Е = тс2), в химии — периодический закон Д. И. Менделеева. Соответственно в каждом из разделов названных наук имеются свои генерал (или полковник...)-законы. В учении о растворах одним из таких генерал-законов безусловно является закон Рауля. Но прежде чем познакомиться с этим законом, надо уяснить некоторые понятия. Начнем со сводки погоды, которую несколько раз в день передают по радио. Собственно, не со всей сводки, а только с фразы: «Относительная влажность воздуха 90 (или 70, 55...) процентов». Перед нами стакан с водой, накрытый стеклянным колпаком. Что находится под колпаком? Нет, не только воздух, а еще и пары воды. Если держать стакан под колпаком достаточно долго, то в конце концов установится равновесие между водой в стакане и водой в газовой фазе. Слово «равновесие» в данном случае означает, что вода из стакана будет переходить в пар, а молекулы воды из пара будут «нырять» в жидкость, причем количества воды, переходящей из жидкости в пар и из пара в жидкость, будут строго равны. Этому состоянию равновесия отвечает максимально возможное при данной температуре количество воды в паре. Такой пар называется насыщенным. Чем выше температура, тем больше количество воды, находящееся в паре, тем выше давление насыщенного пара. Вот почему насыщенность газовой фазы паром очень удобно характеризовать величинами давлений. Слова «90 процентов влажности» вовсе не означают, что сегодня воздух на 90% состоит из паров воды. Это было бы многовато даже для сибирской парильни. Нет, это значит, что давление паров воды в воздухе состав- 33
Рисунок, иллюстрирующий равновесие между жидкостью и паром. ляет 90 % того давления, которое (при данной температуре) отвечало бы насыщенному. Жара при высокой влажности, как правило, переносится трудно. В самом деле, основной механизм охлаждения человека — это испарение пота. Понятно, что чем водяные пары в окружающем воздухе ближе к насыщению, тем медленнее происходит испарение пота, тем менее эффективно охлаждение. Вот почему температура 4-35° во влажном Батуми и в сухой Хиве переносится по-разному. Все сказанное о насыщенном паре воды полностью может быть перенесено на любую иную жид кость. Для нас важно усвоить вот что: над каждой жидкостью обязательно имеется газовая фаза, причем пар этот при известных условиях может быть насыщенным. Между давлением насыщенного пара и температурой существует четкая закономерность: логарифм давления насыщенного пара прямо пропорционально зависит от «обратной температуры», т. е. от 1/Т (здесь Т — 34
абсолютная температура; шкалой абсолютных температур в науке пользуются чаще, чем шкалой температур по Цельсию). Графически эта зависимость представлена на рисунке. С помощью таких графиков легко рассчитать давление насыщенного пара при любой нужной температуре. Интересно также, что тангенс угла наклона прямой на графике пропорционален скрытой теплоте испарения. Эту величину большей частью так и находят: определяют давление насыщенного пара при нескольких температурах, строят прямую линию в координатах lgp — 1/Т и по углу наклона находят искомую величину. Мы познакомились со всеми величинами, составляющими сущность закона Рауля, и теперь можем привести формулировку самого закона: ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА НАД РАСТВОРОМ РАВНО ДАВЛЕНИЮ НАСЫЩЕННОГО ПАРА НАД ЧИСТЫМ РАСТВОРИТЕЛЕМ, ПОМНОЖЕННОМУ НА МОЛЬНУЮ ДОЛЮ РАСТВОРИТЕЛЯ. Для того и применяют в физике уравнения, потому что алгебра часто позволяет в гораздо более наглядном виде, чем слова, выразить сущность явления. Воспользуемся уравнением и мы. Обозначим давление насыщенного пара над раствором буквой р, а давление насыщенного пара над чистым растворителем через ps (здесь и далее индекс s будет относиться к растворителю, s — это первая буква английского слова solvent — «растворитель») и, наконец, обозначим мольную долю растворителя через Ns. Тогда закон Рауля запишется в компактной, я бы сказал, даже изящной форме: Раз уж мы обратились к алгебре, то воспользуемся теми преимуществами, которые открывает эта прекрасная наука перед каждым, кто пожелает к ней обратиться, и проведем анализ уравнения Рауля. Анализ этот 35
4,О 3,0 2,0 1,0 Зависимость логарифма давления насыщенного пара от обратной температуры. 0,0025 0,0030 0,0035^ краток и категоричен: поскольку NS<1, то p<ps. Собственно, можно было бы этим и ограничиться, потому что сказано все. Но, по-видимому, придется разбавить эту слишком уж сухую алгебру комментариями. Ns < 1. Ну, это понятно. Мольная доля (доля — часть целого!), по определению, всегда меньше единицы. А раз так, то p<ps, т. е. давление насыщенного пара над раствором всегда низке, чем давление насыщенного пара над чистым растворителем. Когда в популярных книгах (да и в учебниках) говорят о связи температуры кипения с давлением, то при этом всегда приводят одну и ту же, признаться, порядком надоевшую историю о незадачливом альпинисте, который, забравшись на вершину Эльбруса, безуспешно пытается там сварить яйцо всмятку. В разные периоды своей жизни я жалел этого беднягу по разным причинам. В детстве (достаточно раннем) мне было жаль проголодавшегося спортсмена: естественно, я не мог допустить мысли, что горовосходитель, несмотря на всю свою очевидную отвагу, решится на то, чтобы позавтракать сырым яйцом. Став повзрослее, я озада- 36
чивался (да и сейчас, признаться, не могу найти ответа на вопрос): зачем было альпинисту тащить на вершину сырое яйцо? Да и как он ухитрился его туда доставить? Разве что нес все время в руке. Теперь я знаю, что, если альпинисту так уж захотелось отведать яйцо всмятку, он не должен был находиться в унизительной зависимости от внешнего давления. Лучше бы он позаботился о том, чтобы доставить на вершину герметическую кастрюлю. Поэтому займемся сейчас связью температуры кипения раствора не с внешним давлением, а с давлением насыщенного пара. Оно-то как раз у раствора всегда ниже, чем у чистого растворителя. Стало быть, раствор всегда кипит при более высокой температуре, чем растворитель. Раствор кипит... Закон Рауля позволяет установить количественную зависимость температуры кипения раствора от его концентрации. Поскольку каждый растворитель кипит при «своей» температуре, удобнее устанавливать связь с концентрацией не непосредственно температуры кипения, а величины превышения температуры кипения раствора над температурой кипения растворителя. Эту величину обозначают символом Тк. Таким образом, температура кипения раствора равна ТК + АТК (Тк — температура кипения растворителя). Связь АТК с концентрацией совсем простая: В этом простеньком уравнении Ст — моляльная концентрация, или моляльность (на с. 32 рассказывалось об этом способе выражения концентрации растворов). Уравнение переводится на «физический» язык очень просто: повышение температуры замерзания раствора прямо пропорционально концентрации (моляльной) растворенного вещества, т. е. чем выше концентрация растворенного вещества, тем выше температура кипения раствора. 37
Впрочем, в уравнении есть еще непонятная величина— Кк. На вопрос, что это такое, учебники дают краткий и, безусловно, верный ответ: коэффициент пропорциональности. Позволено будет мне сделать здесь небольпюе полулирическое отступление. Коэффициенты пропорциональности!.. Как я не любил вас в школе, да и из вуза я не вынес в сердце своем горячую любовь к вам. Посудите сами, выводится какая-то формула, идут строгие рассуждения, применяется еще более строгая математика. И вдруг — неизвестно откуда и непонятно зачем появляется коэффициент пропорциональности. Попробую реабилитировать эти пресловутые коэффициенты. Последнее из приведенных уравнений, связывающее повышение температуры кипения раствора с его концентрацией, — хороший к тому повод. Можно категорически утверждать, что без коэффициента пропорциональности это да и все остальные уравнения были бы бессмысленны. Попробуем на минуту (не больше!) убрать коэффициент Кк из уравнения. Получается, мягко говоря, чушь: градусы (повышение температуры кипения выражается, естественно, в градусах) равны концентрации. Температура не может быть равна молям. Поэтому, чтобы оправдать знак « = », надо какую- то из сторон уравнения помножить на что-то такое, что навело бы порядок хотя бы с размерностями. Это «что- то» и есть коэффициент пропорциональности Кк с размерностью гРаДУс . Как видите, подстановка этого моль коэффициента ставит все на место, теперь «градусы» равны «градусам» и уравнение приобретает совершенно конкретный физический смысл. Теперь еще не мешало бы отыскать такой смысл и для самого коэффициента Кк. Сделать это нетрудно — надо всем величинам, которые находятся в одной компании с коэффициентом, придать единичные значения. Так, будем считать, что приведенное уравнение отно- 38
сится к раствору с концентрацией 1 (1 моль на 1000 г растворителя). Тогда Кк — это повышение температуры кипения одномоляльного раствора. И все. Коэффициент пропорциональности в рассмотренном уравнении назвали эбуллиоскопической постоянной (от латинского слова ebullire — «кипеть»). Каждый растворитель характеризуется своей, присущей только ему, эбуллиоскопической постоянной. Для бензола, например, эбуллиоскопическая постоянная равна 2,6 градус ; моль для этилового спирта — 1,2, а для воды — 0,53. Как видим, и здесь вода — первая, правда с конца. Ничего в этом удивительного нет, хотя бы потому, что ничему нельзя удивляться, когда речь идет о воде. И что уж совсем интересно, повышение температуры кипения раствора не зависит от природы растворенного вещества. Если в 1000 г воды растворена одна грамм- молекула, скажем, глюкозы (т. е. 180 г), а во втором случае в том же количестве воды растворена 1 грамм- молекула мочевины (т. е. 60 г), то оба раствора будут кипеть при 100,53°С (температура кипения чистого растворителя + эбуллиоскопическая постоянная). Нетрудно увидеть все из того же уравнения, что если бы в 1000 г воды было растворено 0,5 моля вещества (т. е. в приведенных примерах 90 г глюкозы или 30 г мочевины), то раствор кипел бы при температуре 100,265° С (температура кипения чистой воды + Кк • 0,5 = 100 + 0,53 • 0,5 = 100,265). Раствор замерзает... Теперь следует привести еще одно уравнейие, очень похожее на то, которое мы с вами только что рассмотрели. Вот оно, это уравнение: АТ=К3Ст. Действительно, почти не отличишь. Изменились только индексы. Вместо «к» появилось «з», которое в данном случае означает слово «замерзание». Итак, 39
понижение температуры замерзания раствора прямо пропорционально концентрации (моляльной) раствора. Да, чем выше концентрация раствора, тем при более низкой температуре он замерзает. Не буду рассказывать, как появилось это уравнение, — путь его вывода мало чем отличается от уравнения температуры кипения. Разве только коэффициент пропорциональности называется криоскопическои константой, а её физический смысл — понижение температуры замерзания одномоляльного раствора. Криоскопические константы различных растворителей изменяются в довольно широких пределах. У фенола криоскопическая постоянная равна 7,4 г^ад^с (т. е. 1-моляльный раствор какого-либо вещества в феноле замерзает на 7,4° ниже, чем чистый фенол), у нитробензола — 6,9, у бензола — 4,9. Вода характеризуется наименьшей среди всех растворителей криоскопическои константой: всего 1,84 Т^ДУ0—. моль Как и в предыдущем случае, уравнение температур замерзания позволяет рассчитывать температуру замерзания раствора. Так, 1-моляльные растворы глюкозы и мочевины в воде (о которых шла речь в связи с их температурой кипения) будут замерзать при температуре -1,84°С, а полумоляльные растворы — при температуре -0,92°С. Криоскопия. Сейчас нужно рассказать о главном применении уравнений температур кипения или замерзания. Краткости ради будем рассматривать только «криоскопическое» уравнение, потому что все, что сейчас будет рассказано о его применении, без малейших ограничений может быть перенесено и на эбуллиоскопическое уравнение. Итак, о главном применении метода, основанного на изучении температур замерзания растворов, о главном применении криоскопии. 40
Представим химика, занимающегося синтезом какого-то нового и не описанного еще вещества. В результате продолжительных экспериментов новое вещество получено, выделено и очищено. Но химику еще предстоит доказать, что это вещество новое, т. е. надо провести его химический анализ. Путем сравнительно несложных реакций химик устанавливает, что в состав соединения входят углерод, водород и кислород. Стало быть, соединение органическое. После этого наступает черед количественного анализа, с помощью которого химик устанавливает, что в состав соединения входит 40,0% углерода, 6,7% водорода и 53,3% кислорода. А отсюда вытекает, что в полученном соединении соотношение элементов таково: С :Н:О + 1:2:1. Испытывает ли химик удовлетворение, придя к такому выводу? Не большее, чем математик, который в результате своих рассуждений вывел одно уравнение с двумя неизвестными. В самом деле, найденное соотношение элементов позволяет получить разве только намек на формулу соединения. Но не саму формулу. Это может быть формальдегид Н — С ^ > его химиче- ^ Н екая формула как раз подходит под найденное соотношение элементов: СН2О. Но ведь под это же соотношение элементов подходит и... уксусная кислота СН, — С С 3 ЮН, или С2Н4О2. Оказывается, много химических соединений удовлетворяют найденному соотношению элементов. В качестве еще одного, но далеко не последнего из возможных примеров назовем глюкозу СвНхгОб. Что делать химику? Только одно — определить молекулярную массу полученного вещества. Все перечисленные вещества, характеризуясь одним и тем же процентным содержанием образующих их элементов, тем не менее сильно различаются по молекулярной 41
массе: у формальдегида — 30, у уксусной кислоты — 60, а у глюкозы — 180. Необходимость определить молекулярную массу соединения не вызывает у химика затруднений, потому что он хорошо знает, что криоскопия является универсальным методом определения молекулярных масс. Вспомним еще раз уравнение АТ3 =К3 Cm; Cm — это количество грамм-молекул вещества в 1000 г растворителя, а ведь количество грамм-молекул — это в свою очередь частное от деления массы вещества ( ^ ) на его молекулярную массу, т. е. — . Поэтому криоскопиче- ское уравнение можно представить в следующем вреде: Это уравнение и служит химику руководством к действию. Он отвешивает определенное колрхчество вещества, скажем 50 г, растворяет в 1000 г воды и затем определяет температуру замерзания полученного раствора. Эксперршент показал: раствор замерзает при температуре —1,02° С. Температура замерзания чистого растворителя — воды — 0°С, следовательно, АТ3=1,02. Дело сделано. Памятуя, что криоскопическая постоянная воды равна 1,84°, химик быстро проделывает незамысловатые вычисления: М = 1,84™= 90. Итак, точная формула соединения, которое получил химик, С3Н6О3. (Соединение это называется триокса- осн2 ном, его структурная формула СН2 О; вряд ли ЧО СН стоит рассказывать об этом соединении подробнее — в 42
конце концов химик мог получить любое другое соединение.) Криоскопия как метод определения молекулярных масс была открыта примерно сто лет назад, срок для современной физической химии не просто большой, а громадный. И тем не менее за эти сто лет. которые буквально преобразили физическую химию, криоско- пический метод определения молекулярных масс остался неприкосновенным. В свое время этим методом так увлекались, что лет 80 назад шведский ученый Сванте Аррениус, один из тех исследователей, благодаря которым криоскопия вошла в арсенал физико- химических методов исследования, с законной и понятной гордостью писал: «В Европе снова наступил ледниковый период...» Но и сегодня, когда не за горами XXI в., криоскопия остается главным методом определения молекулярных масс веществ в растворах. Определением молекулярных масс веществ в растворах отнюдь не исчерпываются возможности криоскопии. Снова обратимся к нашему химику, которого мы уже несколько раз привлекали для иллюстрирования различных теоретических положений. Представим себе, что химик проводит следующий эксперимент. Приготовлен 1-моляльный раствор едкого натра NaOH в 1000 г воды. Химик определяет температуру замерзания раствора. Какое значение он должен получить? — Вопрос на закрепление пройденного материала? — усмехнется искушенный читатель. — Тут и думать-то нечего: если раствор 1-моляльный, то понижение температуры замерзания должно быть равно криоскопической постоянной; таким образом, раствор должен замерзать при температуре —1,84°. Ход рассуждений был безукоризненный. Но и наш химик-экспериментатор тоже отменный. И он нашел, что 1-моляльный раствор едкого натра замерзает при температуре —3,68°, т. е. понижение температуры замерзания, наблюдаемое на опыте, ровно вдвое превы- 43
сило ожидаемое. Верные рассуждения, правильный эксперимент... Но ведь правда-то должна быть одна! Вместо того, чтобы помочь читателю выпутаться из этого несомненного противоречия, я расскажу еще об одном эксперименте нашего химика. На сей раз в качестве растворителя химик берет бензол (криоскопиче- ская постоянная бензола 4,9) и растворяет в 1000 г этого растворителя 1 грамм-молекулу метилового спирта СН3ОН (т. е. 32 г). Спрашивается: какое понижение температуры замерзания раствора обнаружит химик в эксперименте? Я понимаю, что после предыдущего примера вы с известной опаской будете давать ответ. Но иного выхода пока нет, и, поскольку раствор-то 1-моляльный, вы отвечаете, что понижение температуры замерзания этого бензолового раствора будет составлять 4,9°. Вы опять рассуждали безукоризненно. Ну а химик определил, что понижение температуры замерзания его раствора составляет 2,45°, т. е. вдвое меньше, чем требует теория. Итак, почему в первом случае понижение температуры замерзания было вдвое больше теоретического, а во втором случае — вдвое меньше? Ответ на поставленный вопрос придет, если мы уточним приводившиеся выше закономерности криоскопии (эбуллиоскопии). Собственно говоря, понижение температуры замерзания (повышение температуры кипения) раствора пропорционально не столько концентрации раствора, сколько числу частиц растворенного вещества в единице объема раствора. «Ну и что, — спросите вы, — разве это не одно и то же?» Да, не всегда одно и то же. Вот хотя бы раствор едкого натра в воде. Если число молекул в одном моле любого вещества равно No (как вы знаете, No — это число Авогадро, равное 6,02 • 1023), то при растворении моля NaOH в воде число частиц в растворе будет не No, a 2N0. Конечно же, 2NOi ,так как, и это хорошо известно, едкий натр в воде распадается на ионы Na+ и ОН". 44
Теперь нетрудно догадаться, почему раствор метилового спирта в бензоле замерзает при более высокой температуре, чем вытекает из закона Рауля. Дело в том, что число частиц в этом 1-моляльном растворе вдвое меньше числа iV0. А возможно это только в том случае, если молекулы СН3ОН в растворе объединены попарно, или, как говорят химики, ассоциированы. Причина ассоциации метилового спирта известна — молекулы объединяются попарно через водородную связь, образуя такую удвоенную молекулу: СН3 - О - Н н - о - сн3 Как видим, открывается еще одна возможность криоскопии (эбуллиоскопии) — изучение молекулярного состояния веществ в растворе. Да, благодаря именно криоскопии химики узнали, что многие вещества в растворах могут находиться в ассоциированном состоянии, образуя димеры (парные молекулы), тримеры (объединение трех молекул), тетрамеры (союз четырех молекул) и т. д. Здесь не место вести специальный разговор об ассоциации веществ в растворах. Но нельзя не отметить, что ассоциация — первая ступенька в той невыразимо длинной цепочке превращений, которая привела к возникновению живого вещества. Уже одно это указывает на большое значение этого явления. А ведь узнали химики об ассоциации благодаря криоскопии... Давление в растворах. Ко всем описанным выше и, конечно же, очень важным и очень нужным для химиков выводам теория растворов пришла на основании чисто физических представлений. Это не первый и не последний случай, когда физика оказала действенную помощь химии. Это можно видеть хотя бы из рассказа об осмотическом давлении, который сейчас последует. 45
Рисунок, изображающий возникновение осмотического давления. 2 атм | О атм \ атм 1 атм NaCt 1 м I 1 1 I NaC! Зм
Автор, конечно, уверен в том, что читатели помнят это хорошо, но просто так, к слову говоря, хочу напомнить: если при температуре 273°К (0°С) в сосуде объемом 22,4 л содержится 1 моль газа, то его давление равно 1 атм. Можно сформулировать это утверждение по-иному: 1 моль газа при нормальных условиях (Т = 273°К и давление 1 атм) занимает объем 22,4 л. Нам понадобятся оба этих определения. Теперь представьте себе сосуд, скажем такой, какой изображен на рисунке. В левой части сосуда находится газ, в правой части — пустота, вакуум. Если в перегородке, разделяющей обе половины сосуда, приоткрыть отверстие, то газ из левой части начнет переходить в правую, причем процесс перехода газа будет идти до тех пор, пока давления в каждой из частей не выравняются. Теперь представим себе такой же сосуд, только в левую часть его налит раствор какого-либо вещества, а в правую — чистая вода. Пусть перегородка, разделяющая обе половины сосуда, будет проницаемой только для молекулы воды (такие перегородки называются полупроницаемыми). Какой процесс произойдет в сосуде? Понятно, что вода из правой половины сосуда будет переходить в левую. Явление это хорошо известно и называется осмосом. Об осмосе мы вспомнили не случайно. Именно это явление оказалось надежным и, надо сказать, очень удобным мостом между молекулярной теорией газов и молекулярной теорией растворов. А навел этот мост знаменитый голландский физикохимик Вант-Гофф, с именем которого связан большой и очень важный раздел учения о растворах. Сила, заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую перегородку в раствор, имеет ту же природу, что и сила, заставляющая газ из сосуда, где он находится под большим давлением, переходить в сосуд с меньшим давлением. Вот почему в случае жидких растворов эту силу и называют осмотическим давлением. 47
Исследователи быстро установили, что осмотическое давление раствора равно тому давлению, которое производило бы такое же количество молей растворенного вещества, если бы это вещество находилось в виде газа. Именно это позволило применять к растворам многие законы, установленные для газов. А молекулярная физика, для которой прошлое столетие стало веком триумфа, начиналась с изучения именно газов. Измеряя осмотическое давление, можно, как и в случае криоскопии (эбуллиоскопии), получать очень много интересных сведений о природе раствора. И эти сведения действительно были получены, и имелись все основания ликовать. Но вот в хор апологетов физической теории растворов стали вплетаться все более слышные голоса ее противников. Противники? Разве успехи физической теории не свидетельствовали красноречиво о ее плодотворности? Но абсолютный триумф бывает разве только в спорте, да и то на время. Но прежде всего следует рассказать еще об одной физической теории. Распадающиеся на ионы Едва ли не в XVIII в. естествоиспытатели установили, что все растворы можно разделить на две большие группы — на те, которые не проводят электрический ток, и на растворы-проводники, или проводящие растворы. В XIX в. проводящие растворы изучались, молено сказать, вовсю! Ом установил, что растворы- проводники проводят ток по тем же законам, что и проводники-металлы. Фарад ей с присущей этому великому ученому глубиной и обстоятельностью изучил явление электролиза и установил его основные законы. С помощью электролиза были получены многие вещества, в том числе натрий и калий. Они были впервые выделены в металлическом состоянии знаменитым ученым Г. Дэви. Электрическим током была разложена на 48
составные элементы вода. Были сконструированы многие гальванические батареи. Да, в первые восемь десятилетий XIX в. 6Б1ЛО открыто многое из того, что сегодня лежит в основании электрохимии — науки, изучающей взаимосвязь химических и электрических явлений. Но почему проводящие растворы проводят электрический ток — ученые не знали. Теория Аррениуса: плюсы... Собственно, в теориях, объясняющих тот странный факт, что растворы одних веществ обладают способностью проводить электрический ток, а растворы других веществ этой способностью не обладают, недостатка не было. Но это был тот самый случай, когда избыток теорий свидетельствовал только о том, что все эти теории плохи. Потому что если имеется одна верная теория, то надобность в остальных отпадает. А такой теории не было. Во всяком случае до 80-х годов прошлого века, когда изучением проводящих растворов занялся Сванте Аррениус. Если свести сущность теории электролитической диссоциации Аррениуса к одной фразе (а более пространно вряд ли стоит здесь излагать существо этой теории, так как с ней достаточно подробно знакомятся в школе), то эта фраза звучала бы приблизительно так: ЭЛЕКТРОЛИТЫ (т. е. вещества, растворы которых проводят электрический ток) ПРИ РАСТВОРЕНИИ РАСПАДАЮТСЯ НА ИОНЫ. Это сегодня кажется, что теорию, в основе которой лежит столь очевидная (опять-таки сегодня!) предпосылка, ничего не стоило создать. А тогда, в 1884 г., Аррениус, по правде говоря, поостерегся высказывать столь категорически основную идею своей теории — у него были все основания предполагать, что эта идея будет коллегами раскритикована начисто. Поэтому Аррениус в первой публикации, посвященной теории электролитической диссоциации, предпочел затемнить наиболее 49
острые положения не очень вразумительной терминологией. Аррениус знал, по какому пункту будут его критиковать оппоненты, знал и боялся этой критики, потому что ответа на эти возражения он не имел. И что хуже всего — Аррениус не имел далее приблизительных представлений о том, почему электролиты при растворении распадаются на ионы, что заставляет оторваться друг от друга положительно заряженный катион и отрицательно заряженный анион. Но, с другой стороны, все эксперименты, которые он провел, да и эксперименты нескольких предшествующих поколений экспериментаторов, очень обширный круг физических и химических свойств растворов электролитов — все это закономерно приводило к выводу, что в растворах электролитов действительно существуют ионы. Однако успехи новой теории были столь впечатляющи, а признание ее (пусть и не всеобщее) таким воодушевленным, что на этом фоне забылись все сомнения. Теория электролитической диссоциации убедительно объяснила многие факты, которые были известны давно и тем не менее оставались непонятными. Так, очень логично были объяснены закономерности изменения электропроводности растворов, которое происходит с изменением концентрации электролитов. Различие свойств растворов разных электролитов было разумно пояснено тем, что электролиты подразделяются на сильные — те, которые в растворе полностью распадаются на ионы, и слабые — те, которые распадаются на ионы лишь частично. Это в свою очередь пояснило и криоскопическое поведение растворов электролитов. Понижение температуры замерзания растворов сильных электролитов было значительно большим, чем полагалось по теории, — это отвечало полному распаду растворенных веществ на ионы, в результате чего величина АТ3 для раствора, скажем, NaCl была вдвое больше теоретической, так 50
как хлористый натрий распадается на 2 иона; в случае же СаС12 величина АТ(3)была даже втрое большей, чем полагалось по теории, так как этот электролит при растворении в воде распадается на 3 иона. У растворов же слабых электролитов, например у раствора уксусной кислоты в воде, понижение температуры тоже было большим, чем полагалось по теории, но уже, конечно, не вдвое, так как слабые электролиты распадаются на ионы лишь частично. Тут подоспел один экспериментальный факт, который сразу сделал Аррениуса и Вант-Гоффа единомышленниками. Зная величину АТз растворов слабых электролитов, можно определить степень электролитической диссоциации путем измерения электропроводности. Понятно, что электропроводность связана с диссоциацией: чем выше степень диссоциации, тем больше ионов в растворе и тем, следовательно, выше электропроводность раствора. И вот оба метода привели к прекрасно совпадающим результатам. Могло ли быть более веское подтверждение истинности существования ионов! Но самые большие успехи ожидали теорию электролитической диссоциации в объяснении химических свойств растворов электролитов. Ко времени возникновения этой теории было известно достаточно большое число сильных кислот (НС1, HNO3, H2SO4 и др.) и сильных щелочей (NaOH, КОН, Ва(ОН)2), чтобы число возможных реакций нейтрализации было достаточно внушительным. Но вот что примечательно: какую бы кислоту и какую бы щелочь ни брать, тепловой эффект реакции нейтрализации всегда был практически одним и тем лее: 57 кДж (если на 1 моль щелочи приходится соответствующее количество кислоты). Выходило, что кислот и щелочей существует много, а реакция нейтрализации — одна. Конечно одна, и теория электролитической диссоциации объясняла это с очевидностью. Возьмем для 51
примера реакцию нейтрализации соляной кислоты НС1 едким кали КОН. Записать эту реакцию очень легко: НС1 + КОН = КС1 + Н2О В общем записано правильно, но надо принять во внимание, что, согласно теории электролитической диссоциации, в исходных растворах и НС1 и КОН полностью диссоциированы на ионы, как и продукт взаимодействия между ними — КС1, в отличие, впрочем, от воды, которая, по сравнению с остальными участниками этой реакции, молено сказать, не диссоциирует вообще. «Уточненная» реакция нейтрализации теперь запишется следующим образом: н+ + а" + к+ + он' = к+ + а" + н2о Но ведь одинаковые слагаемые в обеих частях равенства можно сократить, тогда получим: Н+ + ОН~=Н9О Получилось то, что должно было получиться: реакция нейтрализации не зависит от природы катиона основания или аниона кислоты, потому что реакция эта сводится во всех случаях к взаимодействию ионов Н+ и ОН". Поэтому и тепловой эффект всех этих реакций одинаков. Здесь не перечислена и малая часть триумфальных достижений теории электролитической диссоциации. А ведь молено было бы назвать убедительное объяснение этой теорией ряда закономерностей в учении о скорости химических процессов, логичную и понятную интерпретацию некоторых случаев катализа и многое другое. Теория эта многое объясняла, многое предсказывала, убедительно и естественно соединяла многие разрозненные факты. 52
И тем не менее, этого было недостаточно. ...и минусы. Дмитрий Иванович Менделеев был категорическим противником теории электролитической диссоциации, противником воинственным и деятельным. А за Менделеевым следовали многие русские и ряд зарубежных химиков. Даже в серьезных биографических книгах многие авторы пытаются представить неприятие Менделеевым теории электролитической диссоциации как заблуждение великого ученого или, в лучшем случае, как чудачество. Дескать, чудачества и даже капризы нередко бывают свойственны гениям: Толстой не признавал Шекспира, Верди — Вагнера, ну а Менделеев — Арре- ниуса. Не приходится сомневаться, что это предельно неверная оценка позиции Менделеева и его приверженцев. Попробуем возражения по поводу теории электролитической диссоциации, выдвигавшиеся Менделеевым, изложить, прибегая для упрощения к современной терминологии. Сделать это тем более уместно, что к тому времени, когда разгорелись споры между сторонниками физической теории растворов (Аррениус) и химической теории растворов (Менделеев), т. е. к рубежу XIX и XX вв., энергетические представления в физической химии были развиты уже достаточно глубоко. Так, ученые имели достаточно ясное представление об энергии кристаллической решетки хлористого натрия NaCl. Они знали, что эта энергия составляет примерно 800 кДж. Это означает, что для отрыва катионов от анионов в 1 грамм-молекуле NaCl, т. е. в 58,5 г соли, надо затратить 800 кДж. Много это или мало? Как сказать... Посмотрите на рисунок. Что это такое? Опыт с магдебургскими полушариями с применением современных технических средств? Нет, в этом, впрочем, воображаемом эксперименте 20 автомобилей растаскивают в разные стороны катионы и анионы в 1 грамм- 53
Иллюстрация мысленного эксперимента по «растягиванию» ионов в грамм-молекуле хлористого натрия. молекуле поваренной соли и удается это им не без труда. Но то, что достигается двумя десятками современных автомашин, да и то с риском испортить моторы (еще раз напоминаю, что «эксперимент» по растаскиванию ионов в кристалле соли с помощью автотранспорта не более чем литературный прием), с поразительной легкостью достигается добавлением всего одного стакана воды. Однако энергия не может возникнуть «ниоткуда». Закон сохранения энергии — а его незыблемость была очевидной Менделееву и тогда, на рубеже XIX и XX вв. — ведь никто не отменял. Если при добавлении воды молекулы NaCl распались на ионь$, они могли заимствовать энергию, необходимую для преодоления притяжения между катионами и анионами, только и только от воды. Очевидно, каким-то способом энергия теплового движения молекул растворителя переходит к хлористому натрию, что дает возможность ему распасться на ионы. Но это неизбежно должно привести к уменьшению энергии молекул воды, т. е. при этом должна понизиться их скорость движения, а следовательно, и температура раствора. Пусть для приготовления раствора была взята вода с температурой 20°С. Потеря 1 л воды каждых 4 кДж ведет к понижению температуры примерно на 1 градус. Нетрудно подсчитать, что в том случае, если бы энергия, затрачиваемая на процесс распада электролита, черпалась из теплового движения молекул воды, температура образовавшегося раствора должна была бы упасть на... 200 градусов и стать, таким образом, равной —180°С. Можно и иначе: при попытке посолить суп он мгновенно превращался бы в глыбу льда. 55
Конечно, каждому из читателей приходилось в жизни готовить какие-нибудь растворы. И вы заметили, что при этом температура могла изменяться. Но, во- первых, это изменение редко превышало несколько градусов, а во-вторых, и это самое главное, температура при образовании раствора довольно часто даже повышается. Причем в некоторых случаях это повышение температуры настолько значительно, что раствор становится даже горячим. Один остроумный ученый использовал это обстоятельство для конструирования «химической печки». Отправляясь зимой на охоту, он брал с собой сосуды с едкой щелочью (твердой) и концентрированной серной кислотой. Сначала он готовил раствор щелочи; если залить кристаллы едкой щелочи водой, то образующийся при этом раствор сильно разогревается. Затем он готовил раствор серной кислоты — при этом снова происходило сильное разогревание. И наконец, он сливал оба раствора, а при реакции нейтрализации, как мы знаем, выделяется значительное количество тепла. На такой «печке» обед, разумеется, не сготовишь, но отогревать руки можно в течение нескольких часов. Химическая теория растворов. Менделеев в противовес, нет, не в противовес, а в дополнение к теории электролитической диссоциации выдвинул химическую теорию растворов, согласно которой образование раствора — это всегда химическое взаимодействие растворенного вещества с растворителем и именно оно доставляет энергию, необходимую для разрыва нейтральных молекул электролита на ионы. Химическая теория объясняла многое. Взять хотя бы необъяснимый в рамках физической теории растворов факт разогревания при образовании растворов (как это наблюдалось хотя бы в случае «химической печки»). Но если учесть, что образование раствора щелочи или кислоты — это прежде всего образование соединений 56
Схема растворения Ионы натрия и хлора в кристалла поваренной растворе. соли. •-©-©-•
молекул КОН или H2SO4 с водой, т. е. химический процесс, при котором высвобождается тепло, то все логично объясняется. Перешагнем через несколько десятилетий и обратимся к тому времени, когда был вскрыт механизм электролитической диссоциации. Вспомним то, что говорилось о строении молекул воды: положительный и отрицательный заряды в ней разделены. Поэтому при соприкосновении кристаллического хлористого натрия с водой происходит яростная атака молекул соли молекулами растворителя. При этом положительные концы молекул воды прилипают к анионам С1~, а отрицательные — к катионам Na+. При таком взаимодействии, как и при любом другом, между противоположными зарядами, выделяется энергия — она-то и идет на разрыв связи между катионом и анионом. Процесс взаимодействия ионов с молекулами растворителя назвали сольватацией (в том случае, если растворитель вода, этот процесс называется гидратацией). Именно благодаря сольватации ионы в растворах окружены довольно плотной и довольно прочной оболочкой молекул растворителя. Снова обратимся к современной терминологии. Теплота гидратации иона Na+, т. е. теплота, выделяющаяся при химической реакции присоединения молекул воды к катиону натрия, равна 425 кДж (для С1"— —350 кДж)*. В сумме теплота гидратации ионов, образующихся при диссоциации поваренной соли, составляет 775 кДж — немногим меньше энергии связи ионов в кристаллической решетке (800 кДж). Поэтому при растворении хлористого натрия в воде происходит небольшое охлаждение: система покрывает дефицит, забирая недостающие примерно 25 кДж у молекул воды. * Когда приводятся энергетические эффекты каких-либо процессов, то принято относить их к 1 г-атому, 1 г-молекуле или к 1г-иону вещества. 58
Схема сольватированно- го протона. Теперь же попробуем дать аналогичное энергетическое, или, применим более верный термин, термодинамическое, описание процесса образования раствора в воде хлористого водорода; как известно, такой раствор называется соляной кислотой. Энергия связи водорода и хлора в молекуле НС1 равна 1360 кДж. Теплота гидратации иона Н+ составляет 1100 кДж, что в сумме с уже приводившейся несколькими строками выше теплотой гидратации иона С1~ дает 1450 кДж, т. е. заметно превышает энергию связи атомов в молекуле НС1. Именно поэтому при растворении хлористого водорода в воде наблюдается сильное разогревание: избыточная по сравнению с энергией связи теплота, выделившаяся при взаимодействии ионов с молекулами воды, разогревает раствор. Как видим, в довольно ожесточенном споре между приверженцами физической и химической теории растворов правыми оказались*., обе стороны. «Физики» совершенно справедливо утверждали, что ионы в растворах электролитов реально существуют, «химики» лее несомненно были правы, когда выдвигали химическое взаимодействие между растворенным веществом и растворителем в качестве обязательного условия распада электролита на ионы. 59
Итак, свойства раствора самым решительным образом зависят от характера химического взаимодействия между компонентами раствора. Уже это одно заставляет нас познакомиться с природой такого взаимодействия подробнее. Кислоты и основания — так ли уж это просто? Классическая формулировка — уточнения и недостатки. Мы начнем с описания так называемого кислотно-основного взаимодействия, т. е. реакций между кислотами и основаниями. «Ну, кто лее этого не знает, — удивится читатель, — ведь с этого начинают изучение химии в школе. Что лее может быть проще реакции между кислотой и щелочью? » Посмотрим, так ли уж это просто. Сначала вспомним, какие определения понятий «кислота» и «основания» дает учебник: «Кислота — это вещество, которое при растворении в воде отщепляет катионы водорода. Основание — вещество, которое при растворении в воде отщепляет ионы гидроксила».. Определения, безусловно, верные, но, как любят говорить ученые, только в первом приближении. А это приближение часто оказывается недостаточным. Начнем с того, что катион Н+, отщепление которого в соответствии с приведенной формулировкой служит главным признаком кислоты, существовать сам по себе в растворе не может. Уже отмечалось, (см. с. 28), что катион водорода — это попросту протон, положительная частичка с ничтожным радиусом и поэтому обладающая электростатическим полем громадной напряженности. В этом поле молекулы-магнитики воды, конечно же, потянутся к протону и соединятся с ним. Можно считать, что по крайней мере одна молекула воды в растворе крепко-накрепко соединена с катионом Н+, образуя катион Н3О+ (в действительности к протону 60
присоединяется большее число молекул воды, но упрощения ради будем считать, что присоединение ограничивается ионом Н3О+). Не мешает и вспомнить, что взаимодействие с растворителем вообще является обязательным условием появления ионов в растворе, поэтому процесс, в результате которого в растворе появляются ионы, для какой-либо кислоты НА (А — любой анион, например, Cl,~ NO3~, СН3СОО~ и т. п.) запишется так: Следующее уточнение касается растворителя, о котором идет речь в приведенных формулировках. Если следовать этим определениям, получается, что кислоты и основания могут быть только в водных растворах. Вода, как мы видели, во всех отношениях исключительная жидкость, но настолько ли, чтобы владеть монопольным правом образовывать растворы кислот и оснований? Конечно же нет. Если растворить, например, азотную кислоту в каком-либо неводном растворителе, скажем в этиловом спирте С2Н5ОН, то мы убедимся, что образовавшийся раствор мало чем будет отличаться от водного раствора азотной кислоты (самое существенное расхождение состоит лишь в том, что азотная кислота в спиртовом растворе, в отличие от водного, — слабый электролит). «Голый» протон не может существовать и в таком растворе. Поэтому он и там присоединяет молекулу спирта, а сам процесс возникновения ионов в спиртовом растворе для кислоты НА запишется следующим образом: НА + С2Н5ОН = С2Н5ОН * + А " Перечитайте приведенное выше определение понятия «кислота». Что от него остается? Боюсь, что немногое. Во-первых, вовсе не обязательно растворять 61
кислоту в воде; во-вторых, и отщепляется не катион водорода, а гораздо более сложная частица. И ко всему, в различных растворителях одна и та же кислота дает разные катионы. Стало быть, надо искать новое определение. Жаль: старая формулировка была привычной и понятной. Сокрушаться по «старой» формулировке не стоит. Как говорится, истина дороже... Впрочем, нельзя сказать, что, развенчивая эту формулировку, мы только потерпели ущерб и ничего не приобрели. Напротив, мы, можно сказать, мимоходом сформулировали два важнейших признака кислоты в рамках теории электролитической диссоциации. Оказывается, кислота проявляет свои свойства только в растворе, причем роль растворителя проявляется прежде всего в химическом взаимодействии с молекулой кислоты*. Теория сольвосистем. Сейчас самое время познакомить читателя с теорией кислот и оснований, которая носит название теории сольвосистем (от английского слова solvent — «растворитель»). Теория сольвосистем построена на том, что... Впрочем, быть может, вначале стоит поговорить о бесстрашном капитане Ийоне Тихом, удивительные приключения которого так талантливо описал в «Звездных дневниках» замечательный польский писатель-фантаст Станислав Лем. В своем 25-м космическом путешествии знаменитый космопроходец, чья слава, можно считать, затмила славу другого храбреца — барона Мюнхгаузена, посетил далекую планету Огненную. Планета как планета, довольно похожая на Землю. Но есть различие — воду на этой планете заменяет жидкий аммиак. Нет, дело не ограничивается тем, что жители Огненной планеты утоляют свою жажду жидким NH3. * Все то, что было сказано об определении понятия «кислота», полностью можно перенести и на понятие «основание». 62
Аммиак полностью заменяет воду на Огненной. Реки, моря и океаны на Огненной состоят из аммиака. Все процессы на планете Огненной осуществляются в аммиачных растворах. Да и подобно тому, как организм живых обитателей Земли в основном состоит из воды, точно так же жизнь на Огненной построена на аммиаке. Так вот, гуляя по Огненной, храбрый капитан Тихий услышал, что жители этой планеты интересовались видами на урожай нашатыря... Теория сольвосистем построена на том, что очень многие, можно сказать, все растворители, подобно воде, обладают способностью к самодиссоциации (автоионизации). Я напомню, о чем идет речь. При изучении теории электролитической диссоциации в школе сообщается, что вода, хотя и в незначительной степени, самопроизвольно распадается на ионы: Как теперь уже понятно, уравнение это нуждается в достаточно серьезном уточнении. Вспомните, мы говорили уже о том, что «голый» протон в растворе существовать не может: присоединяя молекулу воды, он превращается в катион гидроксония: Н+ + Н2О = Н3О+. Следовательно, процесс автоионизации воды правильнее записать как 2Н2О=Н3О+ + ОН~ Посмотрите на уравнение электролитической диссоциации кислоты, записанное на с. 61. Вы сразу сумеете заметить, что диссоциация кислоты приводит к появлению в растворе точно такого же катиона, какой образуется при автоионизации воды. Следовательно, мы могли бы сказать, что кислота в водном растворе — это такое вещество, которое при растворении образует катион, одноименный с катионом, образующимся при диссоциа- 64
воды. Ну а основание — это вещество, которое при диссоциации дает анион, одноименный с анионом, образующимся при самодиссоциации воды. Определения несколько громоздкие, но, без сомнения, верные. Поскольку кислоты и основания могут быть не только в водных растворах, а также поскольку автоионизации подвергаются все иные растворители, мы можем привести общее определение понятий «кислота» и «основание» в рамках теории сольвосистемы. Кислота — вещество, образующее в растворе катион, одноименный с катионом растворителя; а основание — вещество, образующее в растворе анион, одноименный с анионом растворителя. Ознакомившись с основной формулировкой теории сольвосистем, мы можем вослед капитану Тихому совершить путешествие на планету Огненную. Впрочем, эксперименты с жидким аммиаком можно провести и у нас, на Земле. Да, с этим растворителем (аммиак сжижается при —33° С) проведено много экспериментов, и найдено много интересного. Установлено, что жидкий аммиак подвергается автоионизации по уравнению Обращаю ваше внимание на то, что процессы автоионизации воды и аммиака походят друг на друга, как... Собственно, почему «походят» — это, по сути, процессы тождественной природы: от одной молекулы растворителя отрывается протон, который тотчас же присоединяется к другой молекуле. Молекула, потерявшая протон, заряжается отрицательно и, следовательно, становится анионом (ОН~, NH2T), а молекула, захватившая протон, становится катионом (Н3О+, NH4"1"). При растворении в воде хлористого водорода кислота образуется в результате химического взаимодействия 65
Точно так же образуется раствор кислоты в аммиаке: А отсюда следует, что хлористый аммоний, нашатырь, NH4CI, в жидком аммиаке — кислота, подобная соляной кислоте в воде. Таким образом мы узнали, что в каждом растворителе имеется своя система, своя сольвосистема кислот и оснований. Взглянув на реакцию автоионизации аммиака, мы можем догадаться, какое соединение будет в этом растворителе проявлять свойства основания. Да, соединение NaNH2, амид натрия, — в жидком аммиаке основание, подобное едкому натру NaOH в воде. Впрочем, сопоставьте две реакции нейтрализации и убедитесь сами: Н3О Cl +Na ОН =NaCl + 2H2O (вводе) NH4+Cf + Na+NH2~ = NaCl + 2NH3 (в аммиаке) Теория сольвосистем наводит на одну очень любопытную мысль: поскольку химические процессы, в частности реакции кислотно-основного взаимодействия, могут протекать не только в воде, но и в любых иных растворителях, то... является ли вода обязательным условием возникновения и существования жизни, как об этом часто пишут в книгах? Почему бы не существовать различным формам жизни в различных растворителях, хотя бы в том же жидком аммиаке, ведь, как утверждают астрономы, существуют планеты, поверхность которых покрыта океанами жидкого аммиака (или жидкого метана)? Мы еще будем иметь случай на страницах этой книги обсудить возможность существования «неводных» форм жизни; оказывается, разговор о растворах приводит и к таким, в полном смысле слова «высоким матери- 66
ям». Сейчас же поговорим еще об одной теории кислот и оснований, которая носит название химической. Химическая теория кислот и оснований. Уже в самом названии теории выражена ее сущность — свойства кислот и оснований проявляются лишь в химическом взаимодействии друг с другом. Итак, эта теория прямо связывает появление ионов в растворе с химическим взаимодействием. Но главное в этой теории другое: она утверждает, что каждое химическое соединение может быть и кислотой, и основанием. Если пропускать аммиак через воду, то, как хорошо известно, протекает реакция: Нетрудно определить, какой из партнеров является в этой реакции кислотой, а какой — основанием: конечно, вода, отдающая в химической реакции протон, — здесь кислота, а принимающий этот протон аммиак — основание. Впрочем, в иной реакции, протекающей при прили- вании воды к уксусной кислоте СН3СООН, как отчетливо видно из уравнения процесса Н2О + СН3СООН **Н3О+ + СН3СОО~, вода является основанием, ну а уксусная кислота, как и положено ей в соответствии с названием, — кислотой. Теперь возьмем абсолютную (т. е. 100%-ную) уксусную кислоту и прибавим к ней абсолютную же азотную кислоту HNO3. В этом случае протекает реакция СН3СООН + HNO3^CH3COOH2+ + NO 3 Мы видим, что азотная кислота в этой реакции отдает катион водорода и, следовательно, действительно является кислотой, а вот уксусная кислота, при- 67
нимая катион Н+, является... основанием. Уксусная кислота — основание. Походит на каламбур. Но ничего не поделаешь, потому что в этой реакции СН3СООН и впрямь основание. При лее ланий нетрудно «найти управу» и на азотную киелоту. Прибавим к ней абсолютную серную кислоту. Взаимодействие, которым сопровождается образование смеси этих кислот, также хорошо изучено: HNO3 + H2SO4^ H2NOt+ HSO4" Да, азотная кислота в этой реакции — основание, но удивляться этому не приходится, потому что, во-первых, читатель уже понял, что в соответствии с духом химической теории кислот и оснований на самом деле любое соединение может быть и кислотой, и основанием, т. е. любое химическое соединение является амфо- терным, все зависит от условий; во-вторых, читатель уже понимает, что можно подобрать такого партнера, по отношению к которому кислота и будет основанием (такие соединения есть, и их, кстати, немало). Но, конечно же, самым главным следствием из этой теории, ради которого, собственно, мы и завели разговор о ней, является вывод о том, что кислотно-основные функции химических веществ проявляются только во взаимодействии. Взятое само по себе индивидуальное химическое соединение не может быть ни кислотой, ни основанием. Становится оно той или другим лишь после того, как вступит во взаимодействие с другим веществом. Итак, индивидуальные (чистые, абсолютные и т. п.) СН3СООН, HNO3, H2SO4 не являются еще ни кислотами, ни основаниями, а есть СН3СООН, HNO3 и H2SO4. Собственно говоря, на этом раздел книги, посвященный кислотам и основаниям, можно было бы закончить — о всех современных теориях кислотно-основного взаимодействия все равно рассказать невозможно: 68
для этого необходима специально посвященная этому вопросу книга. Но у меня имеется серьезное опасение, что кто-нибудь из достаточно ретивых читателей заявит завтра в школе, что термин «азотная кислота» («уксусная кислота», «серная кислота» и т. д.) неверен, что следует говорить— «азотное (уксусное, серное) основание». Нет, не следует. Во-первых, подчеркну это еще раз, индивидуальные химические соединения вообще не проявляют какой-либо кислотно-основной функции. А во-вторых, не надо самочинно вводить новую терминологию. Тем более что в данном случае и старая терминология достаточно оправдана: ведь перечисленные кислоты в подавляющем большинстве случаев получаются и применяются в виде водных растворов. А вода по отношению ко всем перечисленным соединениям, несомненно, выступает в роли основания. Таким образом, в большинстве случаев эти соединения действительно кислоты. Ионы в растворах Необходимо и достаточно... Для того чтобы совершить велосипедную прогулку, надо уметь ездить на велосипеде. Но, кроме того, надо и иметь велосипед. Для того чтобы стать студентом вуза, надо закончить школу. Но, кроме того, надо успешно сдать вступительные экзамены. — Причем здесь велосипед? И к чему рассуждать о грядущих вступительных экзаменах? — удивитесь вы. А при том здесь велосипед и экзамены, что, для того чтобы растворенное вещество распалось на ионы, необходимо, чтобы оно вступило в химическое взаимодействие с растворителем. Но, кроме того, требуется, чтобы у раствора была достаточно высокая диэлектрическая проницаемость. 69
Все приведенные примеры — и с велосипедом, и с вступительными экзаменами, и с образованием электролитного раствора — объединяет то, что они содержат так называемые необходимые и достаточные условия. Да, для того чтобы прокатиться воскресным днем на велосипеде в лес, надо, разумеется, уметь на велосипеде ездить — это условие необходимое. Но, кроме того, требуется, чтобы выполнялось и условие достаточное — иметь велосипед. Получение среднего образования — необходимое условие продолжения учебы в вузе, но еще недостаточное условие — таковым является успешная сдача вступительных экзаменов. Да, необходимым, обязательным условием образования ионов в растворе является химическое взаимодействие растворенного вещества с растворителем — только это взаимодействие доставляет энергию, нужную для образования ионов. Но это оказывается еще недостаточным для того, чтобы в растворе появились свободные ионы... В разделе, посвященном воде, уже достаточно много говорилось о диэлектрической проницаемости. Сейчас настало время вспомнить об этом свойстве. Впрочем, если бы диэлектрическая проницаемость и не пришла нам на память, все равно пришлось бы, рассуждая о причинах электролитической диссоциации, набрести на нее. В самом деле, образовались в результате взаимодействия растворенного вещества и растворителя ионы, образовался катион и анион. Но что заставляет их отойти друг от друга? Ведь одноименные заряды должны притягиваться, и мы, пользуясь законом Кулона, можем даже подсчитать энергию эФого притяжения: Здесь Е — энергия взаимодействия, Z — заряды ионов, е — заряд электрона, г — расстояние между ионами, е — диэлектрическая проницаемость. 70
Как видим, диэлектрическая проницаемость и является тем фактором, который ослабляет энергию электростатического взаимодействия между ионами (чем больше е, тем меньше Е). Вот почему аммиак и хлористый водород взаимодействуют и в бензоле, и в воде, можно сказать, одинаково энергично: Но в бензоле, у которого, как отмечалось в разделе о воде, диэлектрическая проницаемость равна всего двум, т. е. катион и анион С1~ притягиваются друг к другу всего вдвое слабее, чем в вакууме. И поэтому свободных ионов аммония и хлора в бензоловом растворе нет. В воде же энергия взаимодействия, по сравнению с вакуумом, ослабляется почти в 80 раз. В результате ионная пара распадается, в воде появляются свободные ионы. И водный раствор хлористого аммония, в отличие от бензолового раствора, получает способность проводить электрический ток. Итак, высокая диэлектрическая проницаемость растворителя и есть то самое достаточное условие образования электролитного раствора, о котором мы и вели речь. Показатель кислотности. Законы электролитической диссоциации позволяют понять многие свойства растворов электролитов, например такое, которое уменьшается по мере того, как концентрация ионов, его обусловливающая, увеличивается. Сказано кратко, но пока что совершенно невразумительно — в полном соответствии с канонами загадок. Впрочем, автор не намерен загадывать никаких загадок, и потому займемся... логарифмами. Нет, я не собираюсь подвергать сомнению добротность знаний в этой области, полученных читателями в школе. Но знаю также, что повторение еще никому вреда не приносило. 71
Итак, логарифм дроби — отрицательное число. Обычно при пользовании десятичными логарифмами в этом случае характеристику логарифма оставляют отрицательной, а мантиссу — положительной. Так, логарифм 0,2, или 2-Ю"1, равен 1,301. Однако удобнее пользоваться «целозначным» логарифмом. Для этого к отрицательной характеристике прибавляют положительную мантиссу и получают: (— 1) + (+ 0,301) = — 0,699. Итак, lg 0,2 = - 0,699. Сейчас читатель увидит, зачем в этой книге о растворах возникла необходимость отступления о логарифмах. Пусть имеется водный раствор какой-либо сильной кислоты, скажем НС1. Концентрация раствора 0,01 М, т. е. одна сотая грамм-молекулы НС1 в литре раствора. Поскольку при распаде на ионы каждая молекула НС1 дает один ион Н+ (конечно, не Н+, а Н3О+, но в данном случае это для нас несущественно), в 0,01 М растворе НС1 концентрация Н+ равна 0,01 г-ионов в литре. В химической литературе принято концентрацию молекул или ионов в растворе обозначать химическим символом (формулой) в квадратных скобках. Поэтому «научное» обозначение концентрации ионов водорода в нашем растворе будет выглядеть следующим образом: [Н+] = 0,01. Логарифм этого числа, т. е. lg[0,01]=2,0, или -2,0. Концентрацию ионов водорода в водных растворах принято характеризовать так называемой величиной рН, математическое определение которой следующее: Некоторые комментарии. Сначала о том, почему концентрацию ионов водорода удобнее выражать логарифмом, а не просто соответствующим числом. Причина достаточно убедительна. Большей частью химики (и не только они) имеют дело с растворами, где концентрация 72
ионов водорода очень мала, скажем 0,000001. Такими числами с внушительным количеством нулей пользоваться неудобно. Впрочем, и более краткая форма записи этого числа (10~6) тоже немногим удобнее. Согласитесь, что логарифмическая форма записи этого числа, ничуть не теряя в выразительности, много выигрывает в краткости. Действительно lglO"6 = — 6. Ну, а теперь о том, почему рН — это отрицательный логарифм. Как уже говорилось, эта характеристика раствора применяется для выражения концентрации ионов водорода, для количественной характеристики кислотности растворов. А поскольку она в большинстве случаев мала и уж почти всегда меньше единицы, то и логарифм всегда отрицательная величина. Зачем же всегда писать знак «минус»? Вот и решили, что рН будет отрицательной величиной отрицательной величины, т. е. всегда будет положительная. Приведем краткую таблицу, которая станет своеобразным итогом наших рассуждений: концентрация ионов водорода в растворе рН 1 г-ион в литре 0 0,1 1 0,01 2 0,001 3 0,0001 4 0,00001 5 0,000001 6 А теперь молено решить задачу на вычисление величины рН. Задачи этого типа не очень сложные: рассчитать рН раствора серной кислоты концентрации 0,0005 моля в литре. Кислота эта диссоциирует по схеме H2SO4-»2H+ + SO42~. Одна грамм-молекула кислоты дает 2 грамм-иона Н+. Следовательно, концентрация ионов водорода в этом растворе равна 0,0005 Х2 =0,001. Откуда рН = - lglO"3 =3. Для того чтобы рассчитать рН растворов, у которых концентрация ионов водорода составляет 10~7 г-иона в 73
литре и низке, придется вспомнить о немецком ученом конца прошлого века Кольрауше, который в течение нескольких лет перегонял воду... из одного сосуда в другой. Директор института, в котором работал Коль- рауш, боялся приводить в его лабораторию гостей: он знал, что после того, как посетителям расскажут, чем занимается уважаемый профессор, непременно найдется досужий остряк, который вспомнит лапутянскую академию наук. Впрочем, острословы напрасно посмеивались над Кольраушем. Этот экспериментатор занимался во всех отношениях важным делом — он пытался получить воду максимально возможной (в то время) степени чистоты. Сверхчистая вода, разумеется, не была самоцелью. Определяя электропроводность такой воды, Кольрауш хотел рассчитать концентрацию ионов в воде. Иными словами, он стремился определить, насколько активно протекает реакция самодиссоциации воды Н2О—»Н+ + ОН- (подробнее об этом процессе рассказывалось на с. 63). Ионное произведение.. Степень протекания процесса самодиссоциации воды, т. е. степень распада воды на катионы Н+ и анионы ОН~, характеризуется величиной, которая называется ионным произведением воды. Это произведение концентрации ионов водорода [Н+] на концентрацию ионов гидроксила [ОН"]. И как было установлено в результате измерения электропроводности чистой воды, [Н+][ОН~] = 10~14. Ионное произведение во всех отношениях важнейшая характеристика воды как растворителя. Здесь валено все. Прежде всего то, что ионное произведение воды — величина постоянная. В любом водном растворе всегда присутствуют и ионы Н+, и ионы ОН~. Вот, скажем, рассматривавшийся несколькими строками выше раствор серной кислоты. Концентрация ионов Н+ в этом растворе, как мы установили, составляет 10~3. 74
Отсюда, зная величину ионного произведения воды, можно рассчитать концентрацию ионов гидроксила в этом растворе: [10"3] [ОН-] = 10"14, откуда =10"14:10-3 = = 10"11. Ионы гидроксила мы обычно связываем с щелочными растворами. Но, оказывается, они присутствуют и в растворе кислоты. Более того, молено точно рассчитывать их концентрацию. Точно так же можно говорить и о концентрации ионов Н+ в растворе щелочи. Займемся подсчетом. Определим величину [Н+], например, в растворе едкого кали КОН концентрации 0,0001 М. Очевидно, что в этом растворе [ОН~] = 10~4. Таким образом, [Н+]10"4=10-14, откуда следует, что [Н+] = 10-14:10-4 = 10-10. Следовательно, рН 0,0001 М раствора щелочи составляет 10. Да, рН — универсальная характеристика кислотности растворов, одинаково пригодная и для кислых растворов (у них величина рН будет меньше 7), и нейтральных растворов (у них рН точно равно 7), и, наконец, щелочных растворов (у которых рН больше 7). Выходит, можно (и нужно!) говорить о кислотности щелочных растворов, и величина рН действительно является очень удобной ее характеристикой. По-видимому, не сыскать ни одного химического, фармацевтического или биохимического производства, где бы величина рН не служила важнейшим показателем качества конечного или промежуточных продуктов. Впрочем, этой характеристикой интересуются не только производственники. Выяснилось, что рН клеточного вещества исключительно чутко реагирует на состояние организма. Поэтому не исключено, что в очень недалеком будущем врач будет интересоваться не только температурой больного, но и его рН (которое, добавим, в разных органах и даже в разных клетках одного органа различно). Существует много способов экспериментального определения рН. Упомянем лишь об одном, наиболее 75
«Палитра» рН. распространенном. Фильтровальная бумага пропитывается набором различных индикаторов — органических соединений, которые изменяют свою окраску при строго определенном значении рН. Достаточно опустить такую бумажку в раствор, как она окрашивается в цвет, отвечающий значению рН этого раствора. Примерная «палитра» такой рН-индикаторной бумаги приведена на рисунке. Метод не очень точный, но в большинстве случаев достаточный для практических целей. Через раствор идет ток Поначалу все выглядит несложно, можно даже сказать, совсем просто. Имеются проводники двух родов. В проводниках первого рода, металлах, ток переносится электронами. В проводниках второго рода, растворах электролитов, ток переносится ионами. Нас, конечно, интересуют проводники второго рода, растворы электролитов, и поэтому займемся ими подробнее. Кривая с «горбом» Начнем с эксперимента, потому что эксперимент, и только он, лежит в основе любого раздела естествознания. Будем измерять зависимость электропроводности раствора от концентрации электро- 76
лита. Возьмем, например, поваренную соль и, добавляя ее малыми порциями в определенное количество воды, будем каждый раз определять электропроводность*. Вначале с повышением концентрации электропроводность растет. Объяснение этому настолько естественное, что возникает далее сожаление: зачем было предпринимать исследование, результаты которого столь очевидны? Действительно, чем выше концентрация хлористого натрия в растворе, тем выше концентрация ионов, а чем больше ионов, тем больше зарядов через раствор может переноситься. Но очень скоро прибавление соли начинает вызывать уже не такое значительное повышение электропроводности, как прежде. А затем... Затем электропроводность начинает падать, хотя концентрация соли продолжает повышаться. Полученный результат изображается на графике кривой с «горбом», и мало какой из графиков служил причиной столь продолжительных раздумий, дискуссий, споров, как этот. Факт прохождения зависимости удельной электропроводности от концентрации через максимум классическая теория электролитической диссоциации, теория Аррениуса, объясняла на первый взгляд очень убедительно. В разбавленных растворах электролиты диссоциированы полностью, а по мере повышения концентрации степень диссоциации электролитов уменьшается и, стало быть, уменьшается количество частиц, которые принимают участие в переносе тока. Вот, дескать, почему электропроводность вначале растет, а затем падает. Это объяснение — хороший пример тому достаточно верному правилу, согласно которому, суждения, основанные на «первом взгляде», надо высказывать осто- Здесь и далее речь идет о так называемой удельной электропроводности — величине, обратной удельному сопротивлению 1 см3 раствора. Удельную электропроводность принято обозначать греческой буквой х — «каппа». 77
-Г 0,8 8 Зависимость удельной электропроводности от концентрации. о со О 0,6 g-0,4 0,2 О 5 Ю Концентрация (моль/л) 15 рожно. В науке же эта осторожность должна быть усилена вдесятеро. Уж на что хорошее объяснение придумал Аррениус, но вот выяснилось, что в случае хлористого натрия, да и иных сильных электролитов, в растворе недиссоциированных молекул нет — весь электролит, какова бы ни была его концентрация, полностью диссоциирован на ионы. Такое своеобразное поведение удельной электропроводности объясняется тем, что у каждого иона в растворе имеется... свита — термин для теории растворов, да и для любой иной теории, конечно, необычный, но тем не менее совершенно строгий и широко распространенный в научной литературе. Десятилетиями теория растворов считала, что молекулы растворенного вещества в растворе ведут себя, подобно молекулам в газе, т. е. движутся произвольно, практически не влияя друг на друга. Представления 78
эти, казалось, оправдываются достаточно хорошо — вспомним, что на них основаны такие прекрасные исследования растворов, как криоскопия или эбуллиоскопия (см. с. 40). И эти удобные представления рухнули под «тяжестью» кривой с «горбом». Раствор — кристалл. Не могут ионы в растворе не влиять друг на друга, потому что противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные — отталкиваются. Вот почему ионы в растворе «устраиваются» таким образом, чтобы как можно меньше мешать друг другу. Если перевести подобное полубеллетристическое определение на строгий язык физики, то можно сказать, что ионы в растворе располагаются друг относительно друга таким образом, чтобы их потенциальная энергия была минимальной. А такое расположение отвечает строгой упорядоченности, или, как говорят те же физики, структуре. Вот оно и появилось то слово, к которому я подводил читателя. Оказывается, растворы электролитов, в отличие от растворов неэлектролитов, обладают достаточно четко выраженной структурой. В случае хлористого натрия структура эта удивительным образом напоминает... сам кристалл этой соли. Вот на рисунке элемент объема раствора поваренной соли. Сопоставьте этот рисунок с изображением кристалла поваренной соли (на с. 11). Как видим, подобие настолько большое, что, собственно говоря, этот рисунок можно было не приводить. Как и в кристалле, каждый катион окружен свитой из 8 анионов хлора, а каждый анион обладает свитой из 8 катионов натрия. Именно такое расположение ионов отвечает минимуму потенциальной энергии раствора поваренной соли (да и многих других электролитов) в воде. Подобная решетка выстраивается в растворе не сразу. Когда концентрация соли в растворе мала, ионы находятся на достаточно большом расстоянии друг от 79
Расположение ионов электролита в растворе. друга и, естественно, взаимодействуют слабо. Энергия, с которой молекулы воды ударяются об ионы, превышает энергию электростатического взаимодействия. Поэтому ионы в разбавленном растворе движутся независимо друг от друга. С повышением же концентрации все четче и четче начинает вырисовываться структура раствора, все сильнее проявляется межионное взаимодействие и ионы теряют значительную часть своей свободы. Рисунок позволяет нам наглядно пред- 80
ставить, что происходит, когда в раствор опускают электроды, к которым приложена разность потенциалов. Катионы, естественно, устремляются к катоду, а анионы — к аноду. Правильнее, впрочем, сказать, что эти ионы лишь намереваются устремиться к «своим» электродам. Пока же из их намерения ничего не выходит. И не может выйти, потому что свита, прочно окружающая каждый ион, тянет его в совершенно противоположном направлении. Да, ионы смогут начать путь к «своему» электроду лишь в том случае, когда притяжение к электроду превысит тормозящее влияние свиты, когда оболочка ионов противоположного знака будет разрушена. Чем выше концентрация электролита, тем прочнее оболочка ионов противоположного знака, выстраивающихся около каждого иона в растворе. И тем труднее ионам двигаться к «своему» электроду. Вот это и есть основная причина падения электропроводности при значительном возрастании концентрации. Когда концентрация равна... нулю. По сегодняшний день физикохимики удовлетворительно справляются с объяснением закономерностей электропроводности лишь очень разбавленных растворов, можно сказать, даже очень разбавленных — таких, где влияние про- тивоионной оболочки сказывается незначительно. И именно поэтому еще на заре развития теории электролитической диссоциации было введено представление об электропроводности раствора при концентрации электролита в растворе, равной... нулю. Впрочем, речь идет не об удельной электропроводности, а о другой модификации этого свойства, которой в физической химии растворов пользуются едва ли не чаще, чем удельной электропроводностью; речь идет о молекулярной электропроводности. Физический смысл этой величины можно представить следующим образом. Пусть имеется своеобразный цилиндр-призма с основа- 81
Катофоретический эффект. 1—'• нием 1 см2. Нальем в цилиндр такой объем раствора, чтобы в нем содержалась 1 грамм-молекула растворенного вещества. Величина, обратная сопротивлению такого столба раствора, и будет молекулярной электропроводностью (эта величина обозначается греческой буквой X — «ламбда»). Зная удельную электропроводность, можно рассчитать молекулярную электропровод- 1000 х ность по несложной формуле А— (здесь с — концентрация раствора в единицах моль/л). В случае разбавленных растворов связь между концентрацией и молекулярной электропроводностью совершенно определенная: чем концентрация раствора меньше, тем электропроводность его выше. Здесь нет никакой опечатки — именно выше. Вот, скажем, на 82
Релаксационный эффект. графике зависимость X от с раствора НС1. Как видим, с понижением концентрации электролита молекулярная электропроводность растет, и притом весьма быстро. Впрочем, физикохимики, предпочитающие иметь дело не с криволинейными зависимостями, а с прямолинейными, выражают концентрацию не в первой, а в «половинной» степени, т. е., попросту говоря, откладывают по оси абсцисс не с, a V7T В этом случае кривая, как видно из соседнего графика, действительно преображается в прямую, которую нетрудно продолжить до пересечения с осью ординат, т. е. до концентрации, равной нулю. Значение электропроводности, которое при этом получается, так и называется «электропроводность при бесконечном разбавлении» (обозначается Х«). 83
400 8 зоо 5 100 0 1 2 3 4 5 6 Концентрация (моль/л) Вот и выходит, что лучше всего раствор проводит ток, когда в нем... нет электролита. Несмотря на броскую парадоксальность этого вывода, удивляться ему не приходится. Уже достаточно определенно было показано, что чем слабее межионное взаимодействие в растворе, тем свободнее движутся ионы, тем выше электропроводность. Поэтому Хо не только не абсурдная, но, напротив, совершенно определенная величина — она показывает, какой была бы (была бы!) электропроводность раствора, если бы (если бы!) межионное взаимодействие в растворе отсутствовало. Величины л0, отнесенные к отдельным ионам, называют также подвижностью ионов. Происхождение термина очевидно — чем выше молекулярная электропроводность, тем быстрее движется ион. Герой одной из современных молодежных повестей выразился примерно так: «Скучно, как таблица». 84
400 300. 200 100 Зависимость молекулярной электропроводности от концентрации. нон 0,05 0,1 \1с Однако рассматривание таблиц, в которых сведены, например, физико-химические характеристики веществ, — занятие и поучительное, и, главное, интересное. В полной мере это относится к таблице, где приводятся сведения о подвижностях отдельных ионов. Но прежде чем заглядывать в таблицу, займемся прогнозом. Он на первый взгляд будет несложным. Итак, предскажем, как будет изменяться подвижность ионов в ряду Li+ — Na+ — К+? Ряд из этих катионов выбран не случайно. Все эти элементы являются родственниками, так как входят в одну группу периодической системы элементов Д. И. Менделеева, в группу (вернее, в подгруппу) щелочных металлов. Вот они на рисунке, эти ионы, изображенные с соблюдением примерного масштаба. Рисунок не оставляет никаких сомнений в исходе прогноза. Без сомнения, тучный ион калия будет про- 85
Сольватированные и несольватированные катионы щелочных металлов. тискиваться через толпу молекул воды гораздо медленнее, чем маленький и, по-видимому, юркий ион лития. Да, конечно, подвижность катиона лития должна быть выше, чем подвижность катиона натрия, а подвижность последнего будет, конечно же, выше, чем у калия. Остается получить подтверждение нашим очевидным прогнозам, обратившись к таблицам, в которых сведены величины подвижностей ионов, и оказывается, что мы... попали пальцем в небо. Подвижность катиона лития (в условных единицах) равна 38,6; катиона натрия —50,1; катиона калия —73,5; рубидия —77,8. 86
Закономерность, полностью обратная той, которая представлялась очевидной, на первый взгляд (опасен, ох, как опасен «первый взгляд» в науке!) получает достаточно очевидное объяснение, если вспомнить, что в растворе ионы окружены молекулами растворителя. Заряд всех этих катионов одинаков +1. Напряженность же поля, которое создают эти катионы, различается весьма существенно — уже отмечалось, что чем меньше размер заряженного тела, тем выше напряженность поля, которое он создает. Именно поэтому самый маленький из катионов, катион лития, в действительности является самым большим, потому что он окружен несколькими слоями молекул воды. Количество молекул воды, окружающих катион натрия, несколько меньше, соответственно меньше и его радиус. Еще тоньше водная оболочка катиона калия, поэтому его радиус меньше двух предыдущих. И уж самый малый радиус в водных растворах у самого внушительного катиона — рубидия. Так что в действительности истинные размеры катионов щелочных металлов в водных растворах такие, как на этой, на сей раз уже верной, картине. Эстафета в растворе. Теперь, когда вроде бы все стало на свои места, я попрошу дать прогноз относительно подвижности самого малого из малых катионов — катиона водорода Н+. Не приходится сомневаться, что этот катион окружен самой плотной и самой толстой оболочкой воды, и поэтому гидратированный катион водорода должен в растворе двигаться еле-еле. Но таблица показывает, что подвижность катиона водорода не просто высокая, а, можно сказать, рекордно высокая — 350! В 9 раз выше, чем у лития, в 7 раз выше, чем у натрия. Для того чтобы понять причину необычно высокой подвижности катиона водорода, надо представить себе городской автобус, переполненный, именно переполнен- 87
ный, пассажирами. Пройти нельзя, повернуться трудно. Дышать — тоже не очень..! Но билет все лее брать надо. И вы просите соседа передать деньги. Сосед переадресовывает их стоящему рядом с ним пассажиру, тот — следующему соседу, и так до тех пор, пока монета не попадает в кассу. Обратно билет передается таким же способом. Можно было бы, конечно, ценой чрезмерных усилий и большинства пуговиц самому пробиться к кассе, но зачем — билет получен с гораздо меньшей затратой энергии. Но если пассажиры додумались до такого экономного (в энергетическом смысле) пути, то неужеди природа окажется менее изобретательной?! То, что происходит при прохождении тока через раствор, содержащий катионы водорода, т. е. через раствор кислоты, очень напоминает наш автобус. Катион водорода, окруженный плотным слоем молекул воды, настолько неповоротлив, что сдвинуться с места ему и впрямь нелегко. Тогда юркий и ничтожный по размерам в сравнении с окружающими молекулами протон перебрасывается к соседней молекуле воды. Та немедленно переадресовывает этот протон своей соседке, и такая переброска протона идет до тех пор, пока он не достигнет электрода (катода). Рисунок дает ясное представление, как осуществляется этот механизм переноса тока через раствор, очень образно названный эстафетным (иногда его называют еще цепным или прототропным). Конечно, энергетически переброска протона — путь гораздо более выгодный, чем миграция гидратированного иона через раствор. Именно поэтому подвижность катиона водорода намного выше, чем подвижность всех остальных ионов. Через раствор бегут электроны. Теперь придется развеять несколько устаревшие представления тех читателей, которые до сих пор убеждены, что ток через растворы может переноситься только ионами. Оказыва- 88
Эстафетный механизм переноса тока протонами. Передача протона молекулами воды. н ч о' н н / / + о н f v *" н 0 \ н + н Н / No н н + ется, с не меньшим успехом ток может через раствор переноситься и электронами. «Но, позвольте, — могут возразить читатели, — ведь давно известно, что растворы электролитов тем и отличаются от металлов и потому и называются проводниками второго рода, что они проводят ток не электронами, а ионами!» Что ж, то, о чем будет рассказываться далее, еще один пример того, что природа оказывается хитроумнее и разнообразнее любой системы классификации, придуманной человеком. Впрочем, явление электронной проводимости в растворах открыл тоже человек, так что нам на природу обижаться нет оснований. Начнем с вопроса: а почему, собственно говоря, ток через раствор не может переноситься электронами? Химик дает на этот вопрос достаточно обоснованный ответ. Для того чтобы ток мог переноситься электронами, необходимо, чтобы эти электроны существовали в растворе в свободном состоянии. Но ведь свободные эле- 89
ктроны, каким-то образом очутившись в воде, немедленно вступят с ней в химическое взаимодействие: 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН~. Да, электрон очень сильный восстановитель, и он тотчас же восстанавливает воду до свободного водорода. Поэтому не могут существовать свободные электроны в воде (уточним — не могут существовать сколь-нибудь долго). Но разве вода — единственный растворитель для приготовления раствора? Нельзя ли подобрать растворитель, который восстанавливался бы труднее, чем вода? Да, такие растворители существуют, и их немало. Это, например, различные амины, и прежде всего первый представитель этого ряда — аммиак. Если в жидком аммиаке (вспомните, об этом растворителе уже шла речь в разделе, посвященном кислотам и основаниям) растворить металлический калий, то он будет растворяться в нем, как сахар в воде. Сравнение в общем подходящее. Дело в том, что словом «растворение» химики называют два процесса, сходство между которыми чисто внешнее, внутренне лее эти процессы не только похожи, но, напротив, различаются даже, можно сказать, полярно. Вот, скажем, растворяется в воде только что упомянутый нами сахар. Если образовавшийся раствор затем упарить досуха, то выпадут кристаллы того же сахара, который брали для приготовления раствора. Не то получится, если растворять в соляной кислоте цинк. Хотя цинк и будет растворяться весьма охотно, но, упарив полученный раствор, мы не обнаружим ничего похожего на исходный металл. Да и как может быть похож хлористый цинк, который образуется при этом, на исходный металлический цинк? Итак, бывает растворение, сопряженное с химическим взаимодействием, и растворение, при котором молекулы растворенного вещества остаются неизменными. Калий в воде растворяется весьма энергично, однако, как хорошо известно, при этом образуется едкий 90
кали: 2K-f 2H2O = H2 + 2KOH. В жидком же аммиаке металлический калий растворяется, оставаясь при этом металлом. Если отогнать растворитель из такого раствора, то снова образуются кристаллы калия. Тем не менее в жидком аймиаке металлический калий — электролит. Он подвергается электролитической диссоциации по уравнению К = К+ + е. Если в такой раствор опустить электроды, к которым подведено напряжение, то через раствор пойдет ток. Абсолютно подавляющее количество электричества будет переноситься через раствор электронами, а не ионами калия. И это совершенно понятно, потому ?то легким, молено сказать, даже легчайшим электронам двигаться через раствор энергетически значительно выгоднее, чем «солидным» катионам калия. Растворимость Это одно-единственное слово, вынесенное в заголовок раздела, у каждого химика вызывает бурю эмоций. Никак не меньше, чем бурю. Потому что образование раствора связано прежде всего с растворимостью какого-либо вещества в растворителе. Но вот, что такое растворимость и от чего она зависит, ученые знают, скажем откровенно, неважно. Настолько неважно, что можно даже сказать, плохо. За примерами далеко ходить не надо. Многие из нас убеждались на опыте, что, скажем, сернокислый барий очень плохо растворим в воде. Но сернокислый магний, напротив, растворяется в воде прекрасно — настолько хорошо, что если кристаллы этой соли оставить на воздухе, то они жадно притянут пары воды и расплывутся, образуя концентрированный раствор. Но ведь магний и барий — элементы одной подгруппы периодической системы Д. И. Менделеева и обладают сходными свойствами. Это проявляется в 91
большинстве химических реакций, во многих физических свойствах, но только не в растворимости. Но вот почему различаются по растворимости MgSO4 и BaSO4 — этого с определенностью сказать никто не может. Собственно говоря, теорий, объясняющих (или, вернее говоря, пытающихся объяснить) растворимость, много — добрая дюжина. И мало кто из химиков удерживается от искушения добавить к этой дюжине свою, тринадцатую. Но это как раз тот самый случай, когда избыток теорий свидетельствует о неблагополучии. Потому что если бы существовала одна хорошая теория, то не было бы никакой нужды во всех остальных. «Подобие в подобном». Первую теорию растворимости сформулировали... алхимики: Simila similibus sol- ventur—«Подобное растворяется в подобном». Набрели на это правило алхимики в поисках универсального растворителя, который растворял бы все и вся. Искали универсальный растворитель с истовостью, пожалуй, не меньшей, чем пресловутый философский камень, искали, проявляя недюжинную фантазию и изобретательность. Смешивали, например, все жидкости, которые можно извлечь из человеческого организма. Сливали вина разнообразных сортов и возраста. Комбинировали всевозможные «едкие» жидкости и набрели в конце концов на «царскую водку» — смесь азотной и соляной кислот (по современной терминологии). Но не нашли. Забегая вперед, скажем — и не могли найти. Итак, «подобное растворяется в подобном». Подмечено верно. Действительно, углеводороды, например, хорошо растворяются в других углеводородах (ге- ксан — в бензоле и т. п.), но плохо растворяются в воде. Перекись водорода НО—ОН лишь немногим отличается от воды Н—ОН, именно поэтому она смешивается с водой во всех отношениях. Но вот уксусная кислота СН3СООН во всех отношениях смешивается и с углево- 92
дородами, и с водой, и понятно почему: у уксусной кислоты имеется «водоподобная» часть, гидроксильная группа — ОН и «углеводородная» часть, группа СН3". Впрочем, несмотря на свою простоту (а может быть, и вследствие нее), алхимическое правило содержит лишь качественное предсказание растворимости. С теориями же, которые позволяли бы количественно предсказывать растворимость (например, исходя из каких- то свойств растворенного вещества и каких-то свойств растворителя), дело обстоит плохо. Можно лишь говорить о некоторых более или менее общих закономерностях. Некоторые закономерности. Прежде всего о влиянии температуры. В подавляющем большинстве случаев повышение температуры увеличивает растворимость твердых тел в жидкости. Связь растворимости с температурой не такая уж простая, как могло бы показаться, но зато несомненная. Переход кристаллического вещества в раствор подобен процессу плавления — это очевидно: и в том и в другом случае наблюдается превращение твердого тела в жидкость. Для того же, чтобы расплавить кристалл, необходимо его нагреть. Именно поэтому повышение температуры способствует повышению растворимости. (Интересно, что в случае газов повышение температуры ведет к понижению растворимости, и это тоже понятно: ведь процесс растворения газов по аналогии с предыдущим должен связываться с процессом конденсации газа в жидкость, а этот процесс, как известно, требует отвода тепла.) Можно усмотреть четко проявляющуюся связь между химическими свойствами растворимого вещества и растворителя. Кислые растворители лучше растворяют вещества основной природы, а основные растворители — вещества кислотного характера. Так, муравьиная кислота отлично растворяет едкий натр (очевидно, что при этом образуется натриевая соль 93
муравьиной кислоты), но зато очень плохо растворяет кислый сернокислый калий KHSO4, поскольку это вещество имеет кислотный характер (собственно говоря, это наполовину кислота). В свою очередь, гидразин — жидкость с ярко выраженными основными свойствами — едкий натр не растворяет, можно сказать, вовсе, но зато отлично растворяет кислый сернокислый калий. Наконец, можно усмотреть четкую зависимость растворимости от диэлектрической проницаемости растворителя. Из четырех спиртов-братьев: метилового, этилового, пропилового и бутилового — наибольшую диэлектрическую проницаемость имеет первый, а наименьшую — последний. Растворимость солей в этих спиртах уменьшается точно в таком же направлении. Это обстоятельство делает понятным, почему в воде различные вещества растворяются, в общем, гораздо лучше, чем в иных растворителях. Вспомним, что вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью — гораздо большей, чем подавляющее большинство других жидкостей. «Не только в воде» Заголовок взят в кавычки, потому что он повторяет название одной из моих научно-популярных книг, адресованной, впрочем, специалистам-химикам. Книга эта посвящена необычным, поистине необычным свойствам неводных растворов. И для того чтобы пояснить и сущность самого понятия «неводный раствор», и необычность раздела учения о растворах, который объединяется этим понятием, я приведу уравнение одной химической реакции. Обычные странные реакции. Прошу во избежание недоразумений, и в частности обидных высказываний по адресу автора книги, не показывать это уравнение до 94
поры до времени ни вашему преподавателю химии, ни кому-либо из химиков вообще. Вот оно, это уравнение: Си + 2НС1 = СиС12 + Н2 Не надо быть высокоученым химиком, чтобы предположить, что здесь написан по меньшей мере абсурд: кому не известно, что медь — металл более электроположительный, чем водород (тождественны утверждения: медь в ряду напряжений стоит за водородом; медь — металл, химически менее активный, чем водород). А раз так, то не может медь вытеснять водород из растворов кислот. И тем не менее в приведенном уравнении все, абсолютно все верно. Здесь уместно было бы снова обратиться к такому же психологическому эксперименту, с которого начиналась книга, и спросить читателя, как он представляет себе экспериментальное осуществление этой и подобной ей химических реакций. Конечно, многие заподозрят подвох в самой постановке вопроса, но им не останется ничего другого, как сказать, что, по-видимому, к медным стружкам следует прилить соляную кислоту, т. е. раствор хлористого водорода в воде. Но кто сказал, что химики обязаны работать только с растворами в воде, с водными растворами? Ведь вещества можно растворять и во множестве иных растворителей, молено проводить реакции в неводных растворах. И оказывается, что перемена растворителя часто ведет к неузнаваемому изменению свойств растворенных химических соединений. Все от растворителя. Мы уже достаточно хорошо разобрались в том, почему в абсолютно подавляющем большинстве случаев химические реакции «предпочитают» идти в растворах. Растворитель, присоединяясь к молекулам растворенного вещества (сольватируя их), 95
делает их более активными. Поэтому реакции в растворах, например только что приведенную реакцию, изображают с учетом сольватации следующим уравнением: Си +. 2(HC1)SX = (СиС12)5у + Н2. Здесь S означает какое-то число х или у молекул растворителя, присоединившихся к молекулам участников химической реакции. Вот почему нет ничего удивительного в том, что в разных растворителях (т. е. в разных S) реагируют друг с другом разные химические соединения. А следовательно, и по-иному протекают и сами реакции. В воде, где хлористый водород находится в виде гидрата (НС1) (Н2О)Х (точнее, Н+ (Н2О)У и С1"(Н2О)2, так как хлористый водород в воде полностью распадается на ионы) медь в ряду напряжений стоит за водородом и поэтому не может вытеснять Н2 из растворов кислот. В неводном лее растворителе ацетонитриле (его химическая формула CH3CN) растворенный хлористый водород находится в виде соединения (НС1) (CH3CN)X, и свойства этого соединения таковы, что медь в данном случае в ряду напряжений стоит перед водородом. А раз так, то и протекает та химическая реакция, уравнение которой было приведено страницей ранее. Да, ничего необычного в написанном уравнении реакции нет. И вы можете его показывать кому захотите, не забывая только пояснить, что здесь речь идет о реакции не в водных растворах, как обычно считают, а в неводном растворителе ацетонитриле. Можно привести множество примеров того, как одни и те же вещества в разных растворителях дают совершенно различные продукты реакции. И уж совсем много примеров тому, как какие-то вещества, будучи совершенно равнодушными друг к другу в одних растворителях, бурно взаимодействуют в других. И именно 96
из этого обстоятельства вытекает весьма важное практическое применение неводных растворителей. Как выделяют металлы. Я приведу здесь лишь один пример практического применения неводных растворителей, но зато пример, по-видимому, достаточно красноречивый. Вы, конечно, знаете, что большинство элементов периодической системы (примерно 80) — металлы. Хорошо известно и то, что наиболее удобный метод получения металлов — электролиз. Но дело в том, что около половины металлов не могут быть выделены электролизом из водных растворов. Причина сколь проста, столь и основательна: эти металлы в ряду напряжений стоят перед водородом. А так как в водных растворах всегда в том или ином количестве присутствуют ионы Н+(Н3О+), то при электролизе водных растворов солей этих металлов выделяется водород или в лучшем случае металл вместе с газообразным водородом. Использование неводных растворителей в этом плане уравнивает все металлы: и химических «ленивцев» — золото или серебро, и таких «активистов», как калий, рубидий или цезий. Для любого металла можно подобрать такой растворитель, который может стать основой электролита для выделения металла с помощью электролиза. Именно применение неводных растворителей позволяет химикам и металлургам вплотную приблизиться к осуществлению их стародавней мечты: электролитическому выделению алюминия при обычных температурах. Нынче алюминий тоже получают электролизом, но только расплавов его солей, т. е. при очень высоких температурах, порядка 1000°. А это создает сильные неудобства. Растворяя же соединения алюминия, например хлористый алюминий А1С13, в-таких растворителях, как нитробензол, эфиры и другие, можно при 97
обычной («комнатной») температуре выделять электролизом этот едва ли не самый важный для современной техники металл. Из неводных растворителей путем электролиза можно выделять далее упоминавшийся только что цезий — абсолютный чемпион по химической активности среди всех химических элементов. Это ли не пример, яркий пример практической ценности неводных растворов! Есть ли жизнь во Вселенной? Сейчас мы займемся вопросом о том, возможна ли жизнь в других звездных мирах, в других галактиках. И если возможна, то будет ли она хотя бы в какой-то степени походить на земную. Нет, автор не забыл, что пишет книгу о растворах. В этом разделе, как и во всех иных, речь будет идти именно о растворах. Потому что проблема возникновения и развития жизни — это в значительной мере совокупность различных вопросов, связанных с теорией растворов. Может ли жизнь существовать на других планетах, в иных звездных системах, в других галактиках или же Земля — единственное пристанище жизни во Вселенной? Этот вопрос интересовал людей, можно сказать, с незапамятных времен. Истоки этого интереса очевидны: нам очень важно, да что там важно — просто необходимо узнать, имеются у нас где-нибудь собратья по разуму или же мы одни во Вселенной. Ну а если не удастся узнать, обитают ли где-либо разумные существа, то на худой конец хотелось бы выяснить, имеются ли вообще где-либо, кроме Земли, живые существа, даже самые простейшие, имеются ли растения, пусть и одноклеточные... 98
Живое вещество. Написал я сейчас слова «одноклеточное растение» и задумался. Разве обязательно, чтобы на других мирах жизнь была построена точно так же, как у нас на Земле? Разве клеточная структура — обязательное условие организации животных и растений? Да и разве деление на растения и животных (напоминаю, что между растениями и животными существует принципиальное различие, заключающееся в способах получения энергии для осуществления жизненных процессов), свойственное земным формам жизни, обязательно для форм жизни в иных мирах (если они, эти формы жизни, существуют)? Еще несколько лет назад вопрос о возможных формах жизни во Вселенной проходил по ведомству научно-фантастической литературы. Фантасты, разумеется, не сомневались: конечно, жизнь существует повсюду. Здесь, в этом вопросе у авторов научно-фантастических произведений наблюдалось редкое единодушие. Разногласия касались лишь внешнего вида инопланетных жителей. Авторы одних произведений считали, что в других мирах, где существует жизнь, все должно быть, как на Земле; другая же категория фантастов населяла страницы своих произведений такими чудищами, что иные впечатлительные читатели остерегались читать эти повести и рассказы на ночь. За последние десятилетия, и особенно за последние годы, проблема внеземных форм жизни со страниц научной фантастики все больше переходит на страницы просто научной литературы. И конечно, исследование этой проблемы ученые начали с решения вопроса: а что такое наша земная жизнь, каковы ее особенности и каковы отличительные признаки живого вещества вообще? Да, чтобы не привязываться к земным, клеточным формам жизни, ученые предпочитают говорить о «живом веществе», т. е. о таких молекулах, или, вернее, совокупности молекул, из которых могут быть построены живые существа. 99
Коль скоро речь зашла о молекулах, то очевидно, что без химии здесь не обойтись. И, подойдя с этой стороны к проблеме жизни, ученые обратили внимание прежде всего на то, что все химические процессы, которые лежат в основе жизнедеятельности и растений, и животных, — это прежде всего процессы в растворах, причем в водных растворах. Да, каждый организм (точности ради, оговариваюсь — земной организм) с хорошей степенью приближения может рассматриваться как водный раствор. Именно в этом обстоятельстве — истоки мощного потока различного калибра остроумия и шуток, в основе которого лежит бесспорный факт, что человек на три четверти состоит из воды. Далее, переходя к выделению самых общих признаков живого вещества, ученые обратили внимание на то, что обязательным, непременным условием существования этого вещества является самопроизвольное удаление лишней энергии, накапливающейся в организме. Действительно, для осуществления различных химических процессов (ограничимся только ими), протекающих во всех организмах, необходима энергия, доставляемая растениям с помощью процессов фотосинтеза, а животным — с пищей. Однако накопление энергии в организме должно вести к повышению скорости движения молекул живого вещества. Если бы энергия не удалялась, то молекулы в конце концов начали бы двигаться с такой скоростью, что строгая структура организма нарушилась бы, сложные композиции молекул распались. А живое вещество — это прежде всего строгая упорядоченность. Если перевести эти полу лирические рассуждения на строгий научный язык, то следовало бы сказать, что химические процессы, протекающие в организме, ведут к накоплению в нем избыточной энтропии (см. упоминавшуюся уже книгу И. Р. Кричевского и И. В. Пе- трянова «Термодинамика для многих»). А накопление энтропии — это увеличение степени беспорядка. 100
Поэтому непременным условием существования живого вещества является способность самопроизвольного удаления избыточной энтропии. Приведенное условие не только не противоречит гениальному определению понятия «жизнь», данному Ф. Энгельсом, но и полностью согласуется с ним. Более ста лет назад Ф. Энгельс проницательно заметил, что «обмен веществ» — обязательное условие существования живого вещества. Сегодня же мы знаем, что назначение этого обмена — доставка энергии организму и удаление избыточной энтропии. Как возникло живое вещество. Герои одного из рассказов советского фантаста И. Ефремова, путешествуя по необъятным просторам космоса, повстречали космический корабль, обитатели которого базировались на планете, где все жизненные процессы протекали не в воде, а в жидком фтористом водороде. Поэтому тела этих странных космопроходцев в значительной степени состояли из HF. Впрочем, почему «странных»? Это для нас, землян, «фторидные» люди должны были показаться странными. Но не в меньшей степени они дивились бы нам, странным «водным-» существам. Герой уже упоминавшихся «Звездных дневников» польского фантаста С. Лема храбрый капитан Ийон Тихий попал на планету, где жизнь была построена на жидком аммиаке. И там, на этой планете, провинившихся обитателей наказывали, обливая... водой. Если бы мы посмотрели научную литературу, посвященную проблемам внеземных форм жизни, то убедились бы, что ученые, как и фантасты, весьма оживленно обсуждают вопрос, является ли вода обязательным условием возникновения и развития живого вещества или же возможны формы жизни, основанные на неводных растворителях, хотя бы на жидком фтористом водороде или жидком аммиаке. Интерес к этим на первый взгляд экстравагантным растворителям не слу- 101
чаен: у астрономов имеются очень веские основания предполагать, что существуют планеты, поверхность которых покрыта реками, морями и океанами не из воды, а именно из этих веществ — фтористого водорода или аммиака. Ход рассуждений ученых примерно таков. В основе живого вещества, каким бы оно ни было, земным или внеземным, должны лежать сложные молекулы. Только сложные молекулы обладают способностью сохранять «память» о внешних воздействиях, которая называется информацией, и только сложные молекулы могут обладать способностью самопроизвольно удалять избыточную энтропию. Каждый химик знает, что сложные молекулы могли образоваться лишь из простых молекул в результате более или менее длительного ряда последовательных реакций. Эти реакции должны были протекать самопроизвольно. Конечно же, самопроизвольно. Признать обратное означало бы постулировать существование бога (не важно, какими синонимами его называть). Имеются, правда, теории, согласно которым жизнь на каждой планете, где она существует, вовсе не обязана была образовываться, так сказать, самостоятельно. Возможно, считают эти теории (кстати, автором первой из таких теорий был С. Аррениус, создатель теории электролитической диссоциации), жизнь в виде спор была занесена на метеоритах или межзвездной пыли на планету и там уж начала развиваться. Но даже если бы эти теории оказались справедливыми, это все равно не .освободило бы нас от необходимости решать вопрос об условиях самопроизвольного синтеза живого вещества. Ведь где-то, хотя бы однажды, это вещество должно было возникнуть. Физические условия. Смоделируем физические условия, при которых должны были протекать процессы синтеза живого вещества. Возможны три основ- 103
ных варианта: реакция протекает в газовой фазе, в жидкой фазе либо в твердой фазе, т. е. между кристаллами. Газофазные реакции можно сразу исключить. Дело в том, что более или менее сложное химическом соединение попросту не может существовать в виде газа или пара. Для того чтобы перевести соединение в пар (газ), необходимо придать ему некоторую избыточную энергию (скрытая теплота парообразования, см. с. 21). Чем соединение сложнее, чем выше его молекулярная масса, тем больше должна быть теплота парообразования. И вот наступает предел, когда эта энергия превышает энергию химической связи между частицами молекулы и вещество при попытке перевести его в пар попросту распадается. Снижением внешнего давления можно лишь в весьма малой степени отодвинуть эту неприятность. Но не преодолеть. Вот почему очень несложно перевести в пар сравнительно «легкий» ацетон (СН3)2СО; значительно сложнее добиться этого в случае глюкозы С6Н12О6. Но никому не удалось перевести в пар далее простейший белок, и, не опасаясь прослыть ретроградом, можно утверждать: никому и не удастся. Вслед за газофазными придется исключить из круга рассмотрения и твердофазные реакции. Все объясняется очень просто: реакции между кристаллическими веществами идут чрезвычайно медленно. В самом деле, два кристалла двух различных веществ должны войти в контакт своими поверхностями. Затем на этих поверхностях протекает реакция, которая, какой бы большой ни была ее скорость, тотчас же прекращается, потому что все молекулы, которые могли прореагировать, уже прореагировали — ведь на поверхности имеется слой толщиной всего в одну молекулу. Для того чтобы реакция прошла дальше, необходимо продукту реакции уступить место «свежим» молекулам. Это может произойти лишь в результате процесса диффузии. Но диффузия протекает очень медленно. Соот- 104
ветственно медленно идут химические реакции между кристаллическими веществами. Настолько медленно, что два кристалла окиси натрия (Na2O) и серного ангидрита (SO3), весом каждый около 1 г, прореагировали бы друг с другом (продукт реакции — Na2SO4) за... 1,2 млрд. лет. Да, если бы реакции, которые привели к синтезу живого вещества, протекали в твердой фазе, времени существования Вселенной не хватило бы для завершения даже начальных этапов процесса синтеза живого вещества. Поэтому остаются только жидкофазные реакции, т. е. химические процессы в растворах. Это условие «вычисляется» с абсолютной достоверностью. Химические условия. Для того чтобы реакция могла протекать в растворе, нужен подходящий растворитель или смесь растворителей. «Подходящий»... Попробуем это пока что невыразительное определение наполнить конкретным содержанием. Молекулы, лежащие в основе живого вещества, — повторим это еще раз — представляют собою сложные, очень сложные образования. Если говорить об их происхождении, то совершенно очевидно, что возникнуть эти молекулы могли только в результате длинной цепочки разнообразных химических реакций. Разнообразных — обратим на это внимание. А теперь попробуем на какое-то время поверить храброму капитану Ийону Тихому и согласиться с тем, что ему и впрямь удалось набрести на планету, где жизнь возникла и развивалась не на основе воды, а на основе жидкого аммиака. Попробуем представить, как должен выглядеть учебник химии, по которому там обучаются школьники. Учебник этот, на наш взгляд, будет странноватым. Едва ли не полностью этот учебник посвящен описанию кислот. Об основаниях в этом учебнике будет написано буквально несколько строк, набранных к тому же петитом. 105
Такое непонятное, даже удивительное, на наш земной взгляд, распределение материала совершенно справедливо. Дело в том, что в сильноосновном растворителе — аммиаке почти все растворенные вещества будут вести себя как кислоты. Для того же, чтобы в аммиаке какое-либо соединение могло быть основанием, его основность должна была бы превышать основность аммиака. А таких соединений очень и очень немного. Вот почему не могут быть разнообразными химические реакции в жидком аммиаке — растворителе, где почти все вещества — кислоты. А раз так, то не могли в этом растворителе самопроизвольно образоваться очень сложные молекулы, лежащие в основе живого вещества. Но тогда, быть может, правы те фантасты, которые предполагают, что возможно возникновение жизни на основе жидкого фтористого водорода, который, напоминаем, представляет собой весьма сильную кислоту. Ну, здесь тоже все достаточно ясно. В жидком фтористом водороде абсолютно подавляющее большинство растворенных веществ будут основаниями; число же кислот в этом растворителе будет крайне мало. Таким образом, и этот растворитель должен быть исключен из числа возможных претендентов на звание «жизненного». А вместе с аммиаком и фтористым водородом из круга претендентов должны быть выведены и все иные сильноосновные и сильнокислые растворители. Теперь мы можем сформулировать одно из химических условий, которому должен удовлетворять «жизненный растворитель». Оказывается, такой растворитель должен быть «демократичным» — число кислот в нем должно приблизительно соответствовать числу оснований. Но поскольку определение «демократичный» в словаре химических терминов не значится, то применим более строгий термин — амфотерный. Да, «жизненный» растворитель должен быть амфотерным, 106
т. е. одинаково охотно проявлять свойства кислоты и свойства основания. Требование амфотерности сильно сужает круг возможных «претендентов» на звание «жизненного» растворителя. Дело в том, что помимо воды — самого известного из амфотерных растворителей — к этому типу относятся еще спирты и ацетон. Можно было бы, конечно, представить планету, покрытую морями и океанами из амфотерного растворителя — винного (этилового) спирта, но это означало бы вторгнуться в ту сферу литературных приемов, которые проходят по ведомству необязательной юмористики, но никак не науки. Следующее требование, которое предъявляется к «жизненному» растворителю, — это способность растворять, растворять многое, растворять хорошо. Растворять и органические соединения, и неорганические, потому что в длинной цепи химических реакций, которые привели к самопроизвольному синтезу живого вещества, принимало участие великое множество веществ. Мы уже вспоминали об «универсальном» растворителе, который безуспешно искали алхимики. А этот растворитель был, так сказать, совсем рядом, под рукой. Да, разумеется, вода, та самая вода, которая растворяет если не все, то очень многое. Хорошая растворяющая способность воды определяется прежде всего ее высокой диэлектрической проницаемостью, об этом свойстве речь шла выше (с. 24—25). И еще вода хорошо растворяет потому, что молекулы ее вступают в водородную связь с молекулами растворенных веществ. Вот и остался из перечня претендентов на звание «жизненного» растворителя лишь один. Конечно, вода. Вода, и только она. В пользу воды в данном случае можно добавить много других, нехимических, аргументов. Не последнее 107
место среди них занимают заключения астрофизиков о том, что водород — один из самых распространенных элементов во Вселенной, а кислород — один из самых устойчивых. Поэтому образование воды на поверхности остывающей планеты весьма вероятно. Именно воды, но никак не этилового спирта, образование которого термодинамически гораздо менее выгодно, чем самопроизвольный синтез воды. Эта книга, пожалуй, показалась бы незавершенной, если бы в заключение не была, пусть и наметками, затронута тема Растворы в ближайшем будущем. О том, как будет развиваться учение о растворах в будущем, о том, какое применение найдут растворы в науке, технике и промышленности, можно было бы написать книгу, которая, по-видимому, была бы не меньше этой, прочитанной вами. Поэтому пофантазируем — нет, неверное слово — представим себе несколько очень вероятных картин из близкого будущего. Представим себе, какое применение найдет самый главный из всех жидких растворов, которые встречаются на нашей планете, — морская вода. Картина первая... Заканчивает рейс трансокеанский лайнер. Корабль становится на рейд у родного порта, и тотчас же к нему подруливает небольшой юркий мотобот, экипаж которого быстро отвинчивает с бортов корабля погруженные в воду небольшие ящики. Ящики транспортируют в порт, а оттуда доставляют в расположенный поблизости «н-ский завод промышленного золота». Промышленного золота? Но ведь ближайшие золотые прииски находятся отсюда за несколько тысяч километров. Неужели так издалека возят сюда перерабатывать породу? Но тогда причем здесь ящики, снятые с бортов корабля? На заводе содержимое ящиков извлекают — это серая ватообразная и довольно невзрачная масса — и 108
тут лее сжигают в муфельной печи. В результате этой операции масса почти вся сгорает, что свидетельствует о ее органическом происхождении. В печи же остаются какие-то тусклые корольки, которые заводские работники собирают с большой тщательностью, можно сказать, почтительностью. Она, эта почтительность, в данном случае достаточно оправдана, так как корольки состоят из золота, более того, весьма чистого золота. Речь идет об одном интересном — конечно, интересном! — способе добычи золота из морской воды. О том, что золото, как и почти все иные элементы периодической системы Д. И. Менделеева, содержится в морской воде, известно давно. Но известно и другое — концентрация золота в воде морей и океанов чрезвычайно низка: что-то около одной стотысячной грамма в тонне воды. Добыть обычным химическим методом золото из морской воды возможно, но для того, чтобы выделить всего один грамм металла надо переработать... сто тысяч тонн морской воды. Не буду сейчас конкретизировать, что подразумевается здесь за словом «переработать», но поверьте, что в данном случае это очень емкое слово. Уже достаточно давно известны химикам особые вещества, которые называются ионообменными смолами. Это такие соединения, которые способны в водном растворе отщеплять свой катион, например, катион водорода, а на его место притягивать из раствора катионы металлов. Ионообменные смолы, которые известны сегодня, притягивают из раствора любой катион, который в ней находится. Вот почему, если поместить эту смолу в морскую воду, то она вытянет из морской воды находящиеся там катионы металлов, причем степень захватывания будет пропорциональна концентрации металла. Вот и оказывается, что смола из морской воды вытягивает только натрий и еще, но уже в меньшем количестве, магний. А золото как было, так и останется в растворе. 109
Сегодня во многих лабораториях мира работают над ионообменниками, которые обладали бы избирательным действием, т. е. вытягивали из раствора только какой-то один определенный катион, скажем золото. Создание такой замечательной смолы пока что дело будущего. Впрочем, недалекого будущего, потому что ничего противоречащего законам природы здесь нет, а раз так, то... будут в портовых городах золотопромышленные заводы, обязательно будут. Картина вторая... Корреспонденты узнали обо всем только на последней пресс-конференции, которую давал перед самым уходом в рейс экипаж яхты, отправляющейся в кругосветное путешествие. — Как, ни грамма горючего? — Ни грамма, — подтверждает капитан. — Тогда зачем же вам эти двигатели? -— полунедоуменно спрашивает один из корреспондентов. — Мы будем двигаться на водороде. — Который будете, очевидно, добывать из воды? — с нескрываемой издевкой спрашивает, корреспондент. — Именно из воды, — спокойно подтверждает капитан. Впрочем, пора пояснить, о чем идет речь. Добыча водорода из воды — дело нехитрое. Но для этого надо иметь источник электрического тока или какие-либо вещества, которые, как, например, натрий, выделяли бы из воды водород в результате химической реакции. Но для того чтобы снабжать водородом корабельный двигатель, да еще в кругосветном путешествии, тут па- рой-другой аккумуляторов или килограммом натрия не обойдешься. Тут нужна громадная электростанция или тонны натрия. И тем не менее капитан говорит чистую правду. Его яхта движется на водороде, который получается из морской воды традиционным способом — электролизом. Но вот источник энергии, нужной на проведение этого электрохимического процесса, — сол- 110
нечный свет. В данном случае речь идет о таких установках, которые обладают способностью непосредственно превращать солнечную энергию в энергию электрического тока. Теоретические да во многом и экспериментальные основы таких установок созданы уже сегодня. Ну, а завтра будут созданы и сами установки. И тогда раствор — морская вода — станет мощным источником так интересно трансформированной солнечной энергии. За этими двумя историями могла бы последовать и третья, и седьмая, и сто семнадцатая. Потому что область применения растворов безгранична. Почти каждый исследователь, работающий в какой- либо из отраслей науки, совершенно искренне убежден, что та проблема, которой занимается он, конечно же, самая важная, самая интересная. Над этой чертой ученых часто иронизируют. И напрасно. Без такой убежденности, без увлечения своим делом трудно работать в науке. А вероятнее всего, и вовсе невозможно. Растворы, значение которых в науке и в жизни столь безгранично велико, заслуживают самого пристального внимания. Именно поэтому учение о растворах всегда было, есть и, конечно, будет одним из самых увлекательных разделов естествознания. Потому что эта проблема самая важная, самая интересная... in
Содержание О сухом лимонаде и о том, чему посвящена эта 3 книга 6 Что такое раствор Между газом и 7 кристаллом Вода удивляющая 15 и удивительная С точки зрения 31 физики Распадающиеся 48 на ионы Кислоты и основания — так 60 ли уж это просто? 69 Ионы в растворах Через раствор 76 идет ток 91 Растворимость 94 «Не только в воде» Есть ли жизнь 98 во Вселенной? ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПЕДАГОГИКА» Необычные свойства обычных растворов Юрий Яковлевич Фиалков Для среднего и старшего школьного возраста Макет и иллюстрации Б. Валита Заведующая редакцией Т. П. Ляхова Редактор О. Владимирская Художественный редактор В. Храмов Технический редактор И. Пономаренко Корректор В. Антонова ИБ № 244. Сдано в набор 30.08.77 г. Подписано в печать 3.04.78 г. А 00655. Формат 70хЮ0/з2- Бумага офсетная № 2. Эксцель- сиор, офсет. Усл. печ. л. 4,51. Уч.-изд. л. 5,21. Тираж 200 000 экз. Заказ № 808. Цена 25 коп. Издательство «Педагогика» Академии педагогических наук СССР и Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Москва, 107066, Лефортовский пер., 8 Ордена Трудового Красного Знамени Калининский полиграфический комбинат Союзполиграф- прома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли г. Калинин, пр. Ленина, 5.
ЮРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ ФИАЛ КОВ — доктор химических наук, профессор. Родился в 1931 г. В 1954 г. окончил Киевский университет, с того же года по настоящее время работает в Киевском политехническом институте, заведует кафедрой физической химии. Области научных интересов Ю. Я. Фиалкова — химия растворов и радиохимия. Этим проблемам посвящены его 200 научных работ, среди которых имеется 4 монографии. Член ряда научных советов АН СССР и АН УССР. Одновременно Ю. Я. Фиалков активно работает в области популяризации химических знаний. Его научно-художественные книги по химии, выпущенные издательством «Детская литература», переведены на многие языки народов СССР.
ББК 24.5 Ф48 Ю. Я. Фиалков Ф48 Необычные свойства обычных растворов.— М.: Педагогика, 1978. — 112 с, ил. — (Б-чка Детской энциклопедии «Ученые — школьнику»). В книге доктора химических наук Ю. Я. Фиал ко ва в доступной и увлекательной форме рассказывается о необычных свойствах растворов вообще и о свойствах одного из них— воды. Основной материал книги посвящен физическим и химическим свойствам растворов. Растворы встречаются в природе повсюду, потому что воздух — раствор, морская волна — раствор, да и твердый минерал тоже часто раствор. Из книги читатели узнают, почему растворы кипят и замерзают, почему некоторые вещества при растворении в жидкостях распадаются на ионы и как через растворы идет электрический ток. Ф 60700"°49 41-78 ББК 24.5 005(01)-78 541 © Издательство «Педагогика», 1978
25 коп. Читайте следующую книгу серии «Ученые — школьнику» «Революция защищается». Написал ее член-корреспондент АН СССР Ю, А. Поляков «Никогда не победят того народа, в котором рабочие и крестьяне в большинстве своем узнали, почувствовали и увидели, что они отстаивают свою, Советскую власть — власть трудящихся, что отстаивают то дело, победа которого им и их детям обеспечит возможность пользоваться всеми благами культуры, всеми созданиями человеческого труда» В. И. Ленин ИЗДАТЕЛЬСТВО ПЕДАГОГИКА»