На лекциях по химии обычно производят опыт: на демонстрационный столик ставят колбу, закрытую пробкой. Колба как колба; может показаться совершенно пустой, если смотреть на нее с дальних рядов аудитории. Но стоит неподалеку зажечь стружку магния, как раздается взрыв. Колба наполнена смесью хлора с водородом. В темноте реакция между газами идет очень медленно. Чтобы получить заметное количество хлористого водорода, надо ждать столетия…
Но вот на колбу упал свет магниевой вспышки или прямой солнечный луч… Взрыв! Почему? Квант света, попадая в смесь, разбивает молекулу хлора на атомы. Атом хлора, в свою очередь, разбивает молекулу водорода, образуя молекулу хлористого водорода и т. д.
Происходит цепной процесс…
За счет каждой первоначально возбужденной молекулы хлора образуется до ста тысяч молекул хлористого водорода. За неуловимую долю секунды лавина взаимодействий превращается во взрыв.
В промышленности хлористый водород получают прямым синтезом. В реакционную башню подводятся две трубы: по одной из них подается хлор, по другой — водород. Там, где трубы соединяются, получившуюся смесь газов поджигают. Она горит ярким, красивым пламенем, но не взрывается. Образующийся хлористый водород поднимается вверх; навстречу ему разбрызгивается вода, которая жадно поглощает хлористый водород; получается соляная кислота. Здесь используется принцип противотока, позволяющий достигнуть наиполнейшего растворения хлористого водорода. Один объем воды поглощает 400 объемов газа.
Соляная кислота — одна из наиболее сильных кислот; она отлично растворяет металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, за исключением свинца.
Хлор обесцвечивает цветы и листья — это заметил еще Шееле. В 1785 году Бертолле решил применить хлор, вернее — его раствор в воде, для отбеливания тканей. Опыт прекрасно удался в лаборатории, но когда он перешел в помещение фабрики, то раздались жалобы промышленников. Хлорная вода отлично отбеливала ткани, но портила металлические части машин и отравляла помещение фабрики.
Бертолле еще ранее заметил, что раствор хлора в щелочи, отбеливая ткани, выделяет хлор менее интенсивно, чем хлорная вода. Первые опыты отбелки тканей раствором хлора в щелочи имели место в городе Жавелли. Новая жидкость была названа «жавелевой водой». Вскоре она была заменена белильной известью CaOCl2. Это белый порошок, обладающий сильным окислительным действием, применяется для отбелки, дезинфекции, дегазации. Иприт, соприкасаясь с хлорной известью, сгорает со взрывом.
Хлор образует пять кислот. В одной из них, соляной, он обладает отрицательной валентностью. Четыре другие содержат кислород: валентность хлора в них равна соответственно 1+, 3+, 5+, 7+. Хлорная кислота HClO4, где он находится в высшей степени окисления, является самой сильной кислотой.
Из солей кислородных кислот хлора наиболее важны KClO3 и Mg(ClO4)2.
KClO3 — бертоллетова соль — применяется в изготовлении спичек, в фейерверках и сигнальных ракетах. В лаборатории она служит для получения кислорода.
Mg(ClO4)2 — в технике это соединение получило название «ангидрон» — очень сильный осушитель, не уступающий фосфорному ангидриду и выгодно отличающийся от последнего тем, что его можно высушить под вакуумом и снова использовать.
Почему коричневато-красный цвет йодного раствора, попавшего на руку, сравнительно быстро исчезает?
Йод летуч. Этим пользуются для его очистки. Если нагреть колбу с крупинками йода на дне, причем колбу покрыть холодным часовым стеклышком, то через некоторое время йод в колбе исчезнет. Зато дно часового стеклышка покроется серометаллическими крупинками, йод возгонится.
В последнее время йод используют для получения металлов высокой чистоты, необходимых для производства полупроводников и атомной энергетики, таких, как цирконий, титан, торий. Так называемый йодидный процесс заключается в следующем: очищаемый металл обрабатывается парами йода в вакууме; летучие йодиды металлов разлагаются на раскаленной проволоке, на которой и осаждается чистый металл.
Загрязняющие примеси, окиси и нитриды металлов не возгоняются. Например, при очистке губчатого титана окислы и нитриды этого металла с йодом не взаимодействуют, йодидным процессом очищают цирконий, титан, ванадий, кремний и торий.
Бромистые соединения также летучи; их употребляют для связывания антидетонатора — тетраэтилсвинца. Органические соединения брома, добавленные в бензин, удаляют свинец из мотора в виде летучего бромистого соединения. Галогениды серебра светочувствительны. На этом основано широкое применение бромистых и йодистых солей серебра в фото- и кинопромышленности.
Его Величество Железо
Казалось бы, какое несовременное выражение: в наш век величать железо отжившим, устаревшим королевским титулом! И все-таки это имеет смысл. Только величие железа — это не мнимое величие напыщенного и недоступного монарха, а величие поистине вездесущего труженика, безусловно заслуживающего самого высокого уважения.
Без железа не было бы цивилизации. Без железа была бы невозможна жизнь животного мира нашей планеты. Оно обнаружено в крови почти всех животных (за единичными исключениями). Трехвалентное железо входит в состав сложного соединения гемина, которое в сочетании с белком глобином образует гемоглобин — вещество, способное обратимо присоединять кислород и затем отдавать его всем тканям организма, обеспечивая их дыхание. Присутствие железа в крови, между прочим, объясняет ее красный цвет. Особенно яркий цвет имеет гемоглобин, насыщенный кислородом (оксигемоглобин), поэтому артериальная кровь — ярко-красная в отличие от более темной венозной крови. Общее содержание железа в организме человека очень невелико — около 3 граммов (всего 0,004 процента веса тела).
Любопытно, что в состав крови некоторых червей входит двухвалентное железо. Цвет такой крови — зеленый.
Небольшие количества железа необходимы и для жизнедеятельности растений.
Что такое железо?
На первый взгляд это абсурдный вопрос, ведь всякому ясно, что железо вездесуще. Однако с точки зрения химии этот вопрос не так уж нелеп. Ведь железо, с которым имеет дело техника, — это, как правило, не химически чистый металл. Оно всегда содержит примеси и потому значительно отличается по свойствам от чистого железа. Самая главная примесь в техническом металле — углерод (мы не говорим о специально получаемых сплавах железа — о них речь будет ниже). Количество углерода в металле обусловливает в значительной степени его свойства. Металл с содержанием углерода до 0,2 процента называется ковким железом. Оно довольно мягко, легко куется, вытягивается. Из такого металла делают, например, жесть, гвозди, проволоку. Содержание углерода в металле в пределах от 0,2–1,7 процента отвечает разным маркам стали. Она тверже, прочней ковкого железа, упруга и хорошо поддается механической обработке. Если углерода в металле больше чем 1,7 процента — это чугун.
Химически чистое железо, железо в строгом смысле слова, видели, вероятно, немногие из вас. Получают его электролитическим путем или восстановлением чистых окислов железа водородом при нагревании. Такое железо куется и в монолитных кусках при обычных условиях не окисляется. На примере железа отчетливо видно, насколько тесно химическая активность связана со степенью чистоты металла. Но это еще не все. Любой химик в самой простой лаборатории может легко приготовить химически чистое железо, которое не только будет окисляться на воздухе, но и… сгорит, как порох. Например, при нагревании щавелевокислой соли двухвалентного железа выделяется чистый металл по реакции: FeC2O4 = Fe + 2CO2, причем крупинки железа имеют размеры около пяти микрон. Вот эти-то маленькие крупинки и способны окисляться на воздухе так быстро, что даже загораются. Почему это происходит? Одна из причин в том, что такие мелкие крупинки имеют огромную общую поверхность соприкосновения с воздухом. Кроме того, малые размеры крупинок мешают образованию правильных устойчивых кристаллических структур. Такую внутреннюю неустойчивость и «использует» кислород.
Интересно, что получение правильно образованных кристаллов изменяет в невероятных масштабах и механические свойства металла. Так, проволока из обычного железа сечением в 1 квадратный миллиметр выдерживает груз в 20 килограммов. А если бы удалось получить совершенно правильный кристалл железа сечением в квадратный миллиметр, то он обладал бы фантастической прочностью и выдержал бы груз в 10 тысяч килограммов. И это в то время, когда специальные стали обладают прочностью около 400 кг/мм2.
К сожалению, пока еще не научились получать большие кристаллы такого бездислокационного железа с совершенно правильной структурой.
Железо — один из самых распространенных на Земле элементов: на его долю в земной коре приходится 4,2 процента. Это очень много. Железо земной коры весит 755 000 000 миллиардов тонн, но лишь неизмеримо меньшее его количество доступно человеку; большая часть металла находится в рассеянном состоянии. Запасы его, пригодные для использования, составляют, по некоторым оценкам, примерно 20 000 000 миллиардов тонн.
Человек использует железо, сконцентрированное в месторождениях. Благодаря своей значительной химической активности железо не встречается в свободном, самородном состоянии, как, например, золото. Месторождения железа — это скопления его химических соединений с другими элементами (чаще всего с кислородом). Вот главные рудные минералы железа: магнетит, имеющий состав FeO·Fe2O3 (содержит до 72,4 процента чистого железа), обладающий, как показывает его название, магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк Fe2O3 (до 70 процентов железа). Название этого минерала произошло от греческого корня «гема» — кровь. Интересно, что русское слово «руда», по-видимому когда-то применявшееся лишь к месторождениям железа, родственно слову «рдеть» — быть ярко-красным — и украинскому слову «рудый» — рыжий. Бурые железняки имеют состав Fe