2H2, CF4), используют как хладагент (фреон) в холодильных установках. Фтор входит в состав полимера фторопласта – (CF2-CF2)n-, имеющего высокую теплостойкость и антифрикционные свойства (скользкого на ощупь). Из него изготавливают подшипники, не требующие дополнительной смазки, а также антипригарные покрытия сковородок – в быту он известен как тефлон. Фторсодержащие соли добавляют в некоторые зубные пасты для профилактики кариеса.
Применение плавиковой кислоты не очень разнообразно, главный потребитель – промышленность, производящая алюминий, который получают электролизом расплавленных солей. Лучше всего для этих целей подходит криолит Na3 [AlF6], но это очень редкий минерал, поэтому производство искусственного криолита осуществляется взаимодействием плавиковой кислоты, оксида алюминия (Al2O3) и соды (Na2CO3). Таким образом, одно из самых опасных и ядовитых веществ помогает получать один из самых распространенных металлов.
Плавиковая кислота незаменима для нанесения узоров на стекло. Для этого поверхность стекла покрывают парафином, а затем прорисовывают контуры, удаляя в нужных местах парафин. При действии водного раствора кислоты получается прозрачный узор, а при действии газообразного HF – матовый. Кроме того, кислоту используют для травления поверхности элементарного кремния, используемого в микросхемах компьютеров. Хранят кислоту в полиэтиленовых емкостях. Отравления и ожоги плавиковой кислотой ушли в прошлое, ее токсичность хорошо известна, и соблюдение элементарных правил позволяет организовать безопасное производство.
Не менее успешно используют в современных технологиях металлические натрий и калий. Прежде всего это сплав калия с натрием, который представляет собой подвижную жидкость, не замерзающую вплоть до –12,6 ℃ и закипающую только при 785 ℃. Это позволяет использовать такой сплав в ядерных реакторах в качестве эффективного теплоносителя с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Естественно, требуется внимательно следить за герметичностью всей системы, ведь при попадании сплава на воздух произойдет мгновенное возгорание.
Металлический натрий присутствует в виде паров в газоразрядных лампах, дающих яркий желтый цвет, – их используют при освещении улиц и автотрасс. Такие лампы особенно эффективны в условиях тумана, и, кроме того, у них высокая светоотдача и большой срок службы (свыше 28 000 часов).
Оба щелочных металла постоянно используются в качестве восстановителей при проведении различных химических реакций. Даже не приходится говорить о том, сколь распространены химические соединения этих элементов в быту, поскольку нам всем знакомы поваренная соль NaCl и сода Na2CO3.
Вернемся к началу нашего рассказа и, обобщая все изложенное, воздадим должное упорству и самоотверженности исследователей. Рискуя здоровьем, а иногда и жизнью, ученые смело входили в неизведанную область, что в итоге привело к получению веществ, успешно используемых в наши дни.
Судьба открытий и их авторов
Предвидеть результаты эксперимента, почувствовать обобщающее правило, угадать закономерность – это моменты удачи в творчестве многих ученых. Чаще всего прогноз распространяется только на ту область, которой занят исследователь, и далеко не каждому дана решимость храбро шагнуть далеко вперед в своих предсказаниях. Но порой способность к логическим построениям добавляет смелости.
Идея о том, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, возникла очень давно. Само слово «атом», обозначающее неделимую часть вещества, было введено мыслителями древности Левкиппом и Демокритом (около 500 г. до н. э.). Их идеи были затем развиты Эпикуром (около 300 г. до н. э.) и Лукрецием Каром (около 60 г. до н. э.). В своей знаменитой поэме «О природе вещей» Лукреций Кар в поэтической форме развивает цепочку размышлений, которая подводит нас к мысли о существовании невидимых мельчайших частиц материи:
…что существуют тела, которых мы видеть не можем.
Ветер, во-первых, морей неистово волны бичует,
Рушит громады судов и небесные тучи разносит…
…далее запахи мы обоняем различного рода,
Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают.
Также палящей жары или холода нам не приметить
Зреньем своим никогда, да и звук увидать невозможно[18].
Поэма остается актуальной и в наши дни, показывая чисто научный подход к изучению явлений. Исследователь, основываясь только на наблюдениях, приходит к важным выводам.
Дальнейшее развитие идеи о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, ранее называвшихся корпускулами, появляется в 1661 г. в трудах Роберта Бойля, а затем в работах М. В. Ломоносова, Дж. Дальтона, Ж. Гей-Люссака. Наибольший вклад в развитие этих понятий внес А. Авогадро (1776–1856). О нем следует рассказать более подробно, поскольку с помощью рассуждений он сумел открыть фундаментальный закон, основываясь на не очень обширных экспериментальных данных, доступных в его время. Ему удалось свести воедино и осмыслить работы двух предшественников. Первый – это Дж. Дальтон (1766–1844), определивший соотношение элементов в ряде простых соединений с помощью введенных им относительных атомных масс. Второй ученый – Ж. Гей-Люссак (1778–1850), который в 1805 г. сформулировал следующий закон: газы в процессе реакции соединяются в простых объемных отношениях.
Иначе говоря, реакция водорода с хлором происходит при соотношении их объемов 1:1, объемов водорода с кислородом – 2:1 и т. д. Разумеется, как настоящий исследователь, он отмечал, какой объем занимает полученный газ. Объемы всех газов он измерял в одинаковых условиях, поскольку уже отлично знал, как объем газа зависит от температуры (это первый газовый закон Гей-Люссака, который изучают в начальном курсе физики).
Забудем наше современное знание химии и будем следить только за изменением объемов.
Из 1 л водорода и 1 л хлора образуется 2 л хлорида водорода (HCl).
Из 1 л кислорода и 1 л азота получается 2 л оксида азота (NO).
Происходит простое суммирование объемов. Далее закономерность нарушается.
Из 2 л оксида углерода и 1 л кислорода получается 2 л диоксида углерода CO2 (из 3 л получили 2 л).
Из 2 л водорода и 1 л кислорода – 2 л водяного пара (вновь не хватает 1 л).
В полученных результатах Гей-Люссак не сумел почувствовать закономерность, зато она не ускользнула от Авогадро. Чтобы создать стройную картину, он использовал те соотношения элементов в полученных газах, которые были установлены Дальтоном с помощью введенных им относительных атомных масс. Если свести воедино имеющиеся сведения, то получится на первый взгляд бессистемная таблица.
Как можно вывести какую-либо закономерность из представленных данных? По существу, это логическая задача, которая даже в наше время трудна для человека, не знакомого с химией. Авогадро сумел справиться с ней блестяще.
Не будем забывать, что во времена Авогадро не существовало современных химических формул и, кроме того, не были сформулированы понятия атома и молекулы, что значительно затрудняло словесное изложение его логических построений.
Смелое допущение, которое сделал Авогадро, состояло в том, что исходные газы – водород, азот, кислород и хлор – не простые, а составные, иначе говоря, они состоят не из одной, а из двух частиц (то есть атомов). Как только он допустил, что они двухатомны, картина сразу прояснилась. Фактически он сумел изобразить все реакции, только представил все не в виде формул, а в словесном описании. Естественно, он руководствовался законом сохранения вещества, установленным ранее А. Лавуазье. В современном написании все выглядит просто и вполне привычно (рис. 9.8).
Обратите внимание, как строго стали соответствовать экспериментальные данные (объемы исходных и полученных газов) коэффициентам в уравнениях реакций: из 1 л водорода и 1 л хлора образуется 2 л хлороводорода. Все удалось привести в систему. Фактически с помощью рассуждений Авогадро открыл, что исходные газы двухатомны. После этого в рассуждениях наступил решающий этап.
В 1 л водорода содержится некое количество частиц, и они занимают объем 1 л. В образовавшихся 2 л хлористого водорода также содержится некое количество частиц, но уравнение реакции показывает, что их вдвое больше, чем двухатомных частиц водорода. Если мы возьмем половину всех образовавшихся частиц хлористого водорода, то они займут, естественно, объем вдвое меньший, то есть 1 л, и в нем будет содержаться вдвое меньше частиц хлористого водорода, то есть ровно столько же, сколько было взято частиц водорода.
Эти рассуждения, приведенные в семи вышестоящих строках, все же требуют для понимания некоего умственного напряжения. Поразительно то, что Авогадро сумел заметить закономерность, не имея возможности записать все в виде компактных формул. Окончательный вывод: в объеме 1 л помещается одинаковое количество частиц и водорода, и хлористого водорода. Проведенное рассуждение полностью справедливо в отношении всех газов. Теперь мы можем сформулировать сам закон: равные объемы газов (при одинаковых температуре и давлении) содержат одинаковое количество частиц, то есть молекул. В результате произошло четкое разделение понятий «атом» и «молекула». Двухатомные газы представляют собой молекулы, и эти понятия стали фундаментальными в атомно-молекулярном учении. Если для выведения закона все же требуется некоторое усилие мысли, то окончательная формулировка, предложенная Авогадро в 1811 г., предельно проста и понятна.
Амедео Авогадро почти всю жизнь провел в Турине, где около 30 лет возглавлял кафедру университета. Это был исключительно скромный, лишенный честолюбия человек, сохранивший до глубокой старости интерес к науке и творческую активность. Судьба закона при жизни Авогадро была печальной: закон попросту не поняли либо, скорее всего, не обратили на него внимания. Вероятно, самая жаркая критика и резкое неприятие лучше, чем равнодушие и забвение.