«Основы химии, Том I»

[14] Для целей опыта наиболее удобно взять углекислую медь, которая может быть приготовлена самим экспериментитором путем прибавления раствора углекислого натрия к раствору сернокислой меди. Образующийся при этом осадок собирается на фильтре, промывается и высушивается. Разложение углекислой меди на закись меди осуществляется при столь умеренном нагревании, что его можно проводить в стеклянном сосуде, нагреваемом лампой. Для этой цели может служить тонкая стеклянная трубка, запаянная с одного конца и называемая «пробиркой», либо же сосуд, называемый «ретортой». Опыт проводится, как описано в примере третьем на стр. 11, собиранием углекислого ангидрида над водой, как будет объяснено впоследствии.

[15] Газоотводные трубки обычно изготавливаются из стеклянных трубок различных диаметров и толщины. При небольшом диаметре и толщине стеклянная трубка легко гнется при нагревании в газовой горелке или пламени спиртовой лампы, а также легко разделяется в определенном месте нанесением глубокой царапины с помощью напильника и последующим изломом трубки в этом месте резким движением. Эти свойства наряду с непроницаемостью, прозрачностью, твердостью и правильностью канала делают стеклянные трубки чрезвычайно полезными в опытах с газами. Разумеется, они могли бы заменяться соломинками, индийским каучуком, металлическими или другими трубками, но последние труднее укреплять на сосуде и они не вполне непроницаемы для газов. Стеклянная газоотводная трубка может быть герметично закреплена в сосуде путем подгонки ее к просверленной пробке, которая должна быть мягкой и свободной от дефектов, и закрепления пробки в отверстии сосуда. Для защиты пробки от действия газов ее иногда предварительно вымачивают в парафине либо заменяют каучуковой пробкой.

[16] Газы, как и все прочие вещества, могут быть взвешены, но вследствие их чрезвычайной легкости и трудности обращения с ними в больших массах они могут взвешиваться лишь с помощью весьма чувствительных весов; то есть таких, которые при значительной нагрузке показывают очень малую разницу в весе — например, сантиграмм или миллиграмм при нагрузке в 1000 граммов. Для взвешивания газа стеклянный шар, снабженный плотно пригнанным краном, прежде всего откачивается от воздуха воздушным насосом (лучше всего насосом Шпренгеля). Затем кран закрывается, и откачанный шар взвешивается. Если впустить после этого в шар газ, подлежащий взвешиванию, его вес можно определить по увеличению веса шара. Необходимо однако, чтобы температура и давление воздуха вокруг весов оставались постоянными для обоих взвешиваний, так как вес шара на воздухе будет (согласно законам гидростатики) изменяться с его плотностью. Поэтому объем вытесненного воздуха и его вес должны быть определены посредством наблюдения температуры, плотности и влажности атмосферы во время опыта. Это будет частично объяснено ниже, но может быть изучено более подробно физикой. Вследствие сложности всех этих операций масса газа обычно определяется из его объема и плотности либо из веса известного объема.

[17] Углекислая медь должна быть высушена перед взвешиванием, так как в противном случае — помимо закиси меди и углекислого ангидрида — при разложении получится вода. Вода входит в состав малахита и потому должна приниматься во внимание. Вода, образующаяся при разложении, может быть полностью собрана путем поглощения ее серной кислотой или хлористым кальцием, как будет описано далее. Чтобы высушить соль, ее необходимо нагревать при температуре около 100° до тех пор, пока ее вес не останется постоянным, либо поместить под воздушный насос над серной кислотой, как также будет описано в свое время. Поскольку вода встречается почти повсюду и поскольку она поглощается многими веществами, возможность ее присутствия никогда не следует упускать из виду.

[18] Поскольку разложение красной окиси ртути требует столь высокой температуры, близкой к калению, что обыкновенное стекло размягчается, для этого опыта необходимо взять реторту (или пробирку) из трудноплавкого стекла, способного выдерживать высокие температуры без размягчения. По той же причине используемая лампа должна давать сильный жар и большое пламя, способное охватить все дно реторты, которое для удобства проведения опыта должно быть по возможности небольшим.

[19] Пневматическая ванна может, разумеется, изготавливаться из любого материала (фарфора, фаянса, металла и т. д.), но обычно пользуются стеклянной, как показано на рисунке, так как она позволяет лучше наблюдать за ходом опыта. По этой причине, а также ввиду легкости поддержания их в чистоте и благодаря тому факту, что на стекло не действуют многие вещества, портящие другие материалы (например, металлы), стеклянные сосуды всех видов — такие как реторты, пробирки, цилиндры, стаканы, колбы, шары и т. д. — предпочитаются любым другим для химических опытов. Стеклянные сосуды можно нагревать без всякой опасности при соблюдении следующих предосторожностей: во-первых, они должны быть изготовлены из тонкого стекла, иначе они склонны трескаться из-за плохой теплопроводности стекла; во-вторых, они должны быть окружены жидкостью или песком (рис. 2), или так называемой песчаной баней; либо же стоять в потоке горячих газов, не соприкасаясь с тем топливом, из которого они исходят, или в пламени бездымной лампы. Обычная свеча или лампа образуют налет сажи на холодном предмете, помещенном в их пламя. Сажа мешает передаче тепла, и потому стеклянный сосуд при покрытии сажей часто трескается. По этой причине применяются спиртовые лампы, горящие бездымным пламенем, или газовые горелки особой конструкции. В горелке Бунзена газ смешивается с воздухом и горит несветящим и бездымным пламенем. С другой стороны, если обычная лампа (керосиновая или бензиновая) не коптит, ее можно использовать для нагревания стеклянного сосуда без опасности, при условии, что стекло расположено достаточно высоко над пламенем в потоке горячих газов. Во всех случаях нагревание следует начинать очень осторожно, повышая температуру постепенно.

Рис. 2. Аппарат для перегонки под уменьшенным давлением жидкостей, разлагающихся при температурах кипения под обычным давлением. Аппарат, в котором перегоняется жидкость, соединен с большим шаром, из которого откачан воздух; жидкость нагревается, а приемник охлаждается.

[20] Во избежание необходимости держать цилиндр его открытый конец расширен (а также пришлифован так, чтобы при необходимости его можно было плотно закрыть притертой стеклянной пластинкой) и поставлен на подставку ниже уровня воды в ванне. Эта подставка называется «мостиком». В ней прорезано несколько круговых отверстий, и под одно из них помещается газоотводная трубка, а над ним — цилиндр для собирания газа.

[21] Высушивание необходимо для удаления любой воды, которая может удерживаться в солях (см. примеч. 17 и гл. I, примеч. 13 и 14).

[22] Точные веса реагирующих и образующихся веществ определяются с наибольшим трудом, проистекающим не только из возможной неточности весов (всякое взвешивание верно лишь в пределах чувствительности весов) и разновесок, употребляемых при взвешивании, не только из трудности внесения поправок на вес воздуха, вытесненного сосудами, в которых взвешиваются вещества, и самими разновесками, но также из гигроскопичности многих веществ (и сосудов), вызывающей поглощение влаги из атмосферы, и из трудности предотвращения потерь взвешиваемого вещества в различных операциях (фильтровании, выпаривании, высушивании и т. д.), которые необходимо проделать до получения окончательного результата. Все эти обстоятельства должны приниматься во внимание в точных исследованиях, и их устранение требует весьма многочисленных особых предосторожностей, невыполнимых в предварительных опытах.

[23] Кроме того, в большинстве случаев первое объяснение большинства предметов, которые не повторяются в повседневном опыте под различными аспектами, а всегда выступают в одной форме или лишь изредка и нерегулярно, обычно оказывается неверным. Так, ежедневное свидетельство восхода солнца и звезд рождает ошибочное представление о том, что небеса движутся, а земля стоит на месте. Эта видимая правда далека от правды действительной и, по сути дела, ей противоречит. Точно так же обыденный ум и повседневный опыт заключают, что железо негорюче, между тем как оно горит не только в виде опилок, но даже в виде проволоки, как мы увидим в дальнейшем. С прогрессом знаний очень многие первоначальные предрассудки были вынуждены уступить место истинным понятиям, проверенным опытом. В обыденной жизни мы часто рассуждаем с первого взгляда с абсолютной верностью лишь потому, что правильному суждению нас учит наш ежедневный опыт. Необходимым следствием природы нашего ума является достижение истины через элементарные и часто ошибочные рассуждения и посредством опыта, и было бы весьма неверно ожидать познания истины от простого умственного усилия. Естественно, сам опыт не может дать истину, но он дает средство сокрушать ошибочные представления, утверждая в то же время те из них, которые истинны во всех своих следствиях.

[24] Правда, Шталю был известен факт, прямо опровергавший его гипотезу. Было уже известно (по опытам Гебера и особенно Рея в 1630 г.), что металлы увеличиваются в весе при окислении, тогда как, согласно гипотезе Шталя, они должны уменьшаться в весе, поскольку при окислении выделяется флогистон. Шталь высказывается по этому поводу следующим образом: «Я прекрасно знаю, что металлы при своем превращении в земли увеличиваются в весе. Но этот факт не только не опровергает мою теорию, но, напротив, подтверждает ее, ибо флогистон легче воздуха и при соединении с веществами стремится приподнять их и тем самым уменьшает их вес; следовательно, вещество, потерявшее флогистон, должно быть тяжелее». Этот аргумент, как видно, основан на неправильном понимании свойств газов, рассматриваемых как не имеющие веса и не притягиваемые землей, либо на смутном представлении о самом флогистоне, так как первоначально он определялся как невесомый. Понятие невесомого флогистона отлично согласуется с привычками и методами прошлого века, когда для объяснения большого числа явлений часто прибегали к невесомым жидкостям. Теплота, свет, магнетизм и электричество объяснялись как особые невесомые жидкости. В этом смысле учение Шталя полностью соответствует духу своего времени. Если теплоту теперь рассматривают как движение или энергию, то и флогистон следует рассматривать в этом свете. В самом деле, при горении, например угля, теплота и энергия выделяются, а не соединяются в угле, хотя кислород и уголь действительно соединяются. Следовательно, учение Шталя содержит зерно истинного представления о выделении энергии, но естественно, что это выделение представляет собой лишь следствие соединения, происходящего между углем и кислородом. Что касается истории химии до Лавуазье, то помимо труда Шталя (на который ссылались выше) следует порекомендовать «Эксперименты и наблюдения над различными видами воздуха» Пристли (Лондон, 1790), а также «Химические и физические трактаты» Шееле (Лейпциг, 1788–89, 2 тома) в качестве двух ведущих трудов английского и скандинавского химиков, показывающих состояние химических знаний до распространения воззрений Лавуазье и содержащих также множество важных наблюдений, лежащих в основе химии нашего времени. Весьма интересной мемуарной работой по истории флогистона является статья Родвелла в «Философском журнале» за 1868 год, в которой показано, что идея флогистона восходит к очень давним временам, что Василий Валентин (1394–1415) в «Триумфальной колеснице антимония», Парацельс (1493–1541) в своем труде «О природе вещей», Глаубер (1604–1668) и особенно Иоганн Иоахим Бехер (1625–1682) в своей «Подземной физике» — все они ссылались на флогистон, но под другими названиями.

[25] Англичанин по имени Майоу, живший целым веком раньше Лавуазье (в 1666 г.), постиг определенные явления окисления в их истинном виде, но не сумел развить свои взгляды с отчетливостью или подкрепить их убедительными опытами; поэтому он не может считаться, подобно Лавуазье, основоположником современного химического учения. Наука есть общее достояние, и поэтому справедливо отдавать высшую честь в науке не тем, кто первыми высказывают определенную истину, а тем, кто первыми оказываются способны убедить других в ее достоверности и утвердить ее на общее благо. Но научные открытия редко делаются сразу; как правило, первые учители не преуспевают в убеждении других в открытой ими истине; со временем, однако, появляется истинный глашатай, обладающий всеми средствами сделать истину очевидной для всех, но нельзя забывать, что таковые всецело обязаны трудам и массе данных, накопленных множеством других лиц. Таковым был Лавуазье, и таковы все великие основатели науки. Они являются выразителями всего прошлого и настоящего знания, и их имена всегда будут почитаемы потомством.

[26] Многие из древних философов предполагали существование одной элементарной формы материи. Эта идея проявляется и в наши дни в постоянных усилиях, предпринимаемых с целью уменьшить число элементов; доказать, например, что бром содержит хлор или что хлор содержит кислород. Было испробовано множество методов, основанных как на опыте, так и на теории, чтобы доказать сложную природу элементов. Все труды в этом направлении до сих пор оказались тщетными, и уверенность в том, что элементарная материя не столь однородна (проста), как того желал бы ум в своем первом порыве быстрого обобщения, укрепляется из года в год. Все наши знания показывают, что железо и другие элементы остаются, даже при столь высокой температуре, какая существует на солнце, различными веществами и не превращаются в один общий материал. Допуская даже мысленно возможность одной элементарной формы материи, необходимо вообразить способ, посредством которого она могла бы породить различные элементы, равно как и modus operandi их образования из одного материала. Если сказать, что это разнообразие имеет место лишь при низких температурах, как наблюдается с изомерами, то были бы основания ожидать, если не перехода различных элементов в одну определенную и более устойчивую форму, по крайней мере взаимного превращения одних в другие. Но ничего подобного до сих пор не наблюдалось, и надежда алхимика получать элементы искусственным путем (как выражается Бертолле) не имеет под собой ни теоретического, ни практического основания.

[27] Слабеньким местом в представлении об элементах является отрицательный характер определительных признаков, данных им Лавуазье и с тех пор господствующих в химии. Они не разлагаются, они не превращаются друг в друга. Но необходимо заметить, что элементы образуют предельный горизонт наших знаний о материи, и всегда трудно определить положительную сторону на рубеже известного. К тому же нет сомнения (по результатам спектрального анализа), что элементы распределены вплоть до самых отдаленных звезд и выдерживают высочайшие достижимые температуры, не разлагаясь.

[28] Возможно, некоторые из их соединений суть соединения других уже известных элементов. Чистые и бесспорно самостоятельные соединения этих веществ неизвестны, а некоторые из них даже не были выделены, но лишь предполагаются существующими по результатам спектроскопических исследований. О подобных спорных и сомнительных элементах не может быть речи в кратком общем руководстве по химии.

[28 bis] Кларк в Америке произвел приблизительный расчет количества различных элементов, содержащихся в земной коре (до глубины 15 километров), и нашел, что главная масса (более 50 процентов) состоит из кислорода; затем идет кремний и т. д.; в то время как количество водорода составляет менее 1 процента, углерода — едва 0,25 процента, азота — даже менее 0,03 процента. Относительные массы таких металлов, как Cu, Ni, Au, ничтожно малы. Судя по плотности (см. главу VIII) Земли, значительная доля ее массы должна состоять из железа.

[29] Это слово, введенное, если не ошибаюсь, в химию Глаубером, основано на представлении древних философов о том, что соединение может происходить лишь тогда, когда соединяющиеся вещества имеют что-то общее — посредника. Как это часто бывает, в древности развилась и другая идея, дожившая до наших дней бок о бок с первой, которой она прямо противоположна; она рассматривает соединение как зависящее от контраста, от полярной разности, от стремления восполнить недостаток.

[30] Особенно убедительны те случаи так называемого металлепсиса (Дюма, Лоран). Хлор, соединяясь с водородом, образует весьма устойчивое вещество, называемое «соляной кислотой», которое при действии электрического тока расщепляется на хлор и водород, причем хлор появляется у положительного, а водород — у отрицательного полюса. Отсюда электрохимики сочли водород электроположительным, а хлор электроотрицательным элементом и заключили, что они удерживаются вместе в силу своих противоположных электрических зарядов. Однако из металлепсиса следует, что хлор может заменять водород (и, наоборот, водород может заменять хлор) в его соединениях, никоим образом не меняя группировки остальных элементов и не изменяя их главных химических свойств. Например, уксусная кислота, в которой водород замещен хлором, по-прежнему способна образовывать соли. Рассматривая этот предмет, необходимо заметить, что объяснение, предполагающее электричество истоком химических явлений, несостоятельно, так как оно пытается объяснить один класс явлений, природа которых почти неизвестна, другим классом, известным ничуть не лучше. Поучительнее всего отметить, что одновременно с электрической теорией химического притяжения возникло и сохранилось воззрение, объясняющее гальванический ток как перенос химического действия через цепь, то есть рассматривающее происхождение электричества как химическое. Очевидно, связь эта весьма тесная, хотя оба явления независимы и представляют собой различные формы молекулярного (атомного) движения, истинная природа которых еще не понята. Тем не менее связь между явлениями обеих категорий не только сама по себе весьма поучительна, но и расширяет применимость общей идеи единства сил природы, убеждение в истинности которой занимало столь важное место в науке последнего десятилетия.

[31] Я полагаю, что в элементарном учебнике химии, подобном настоящему, возможно и целесообразно упомянуть в отношении химической механики лишь несколько общих идей и некоторые частные примеры, относящиеся главным образом к газам, чья механическая теория должна быть признана наиболее завершенной. Молекулярная механика жидкостей и твердых тел находится пока еще в зародыше и содержит много спорного; по этой причине химическая механика достигла меньших успехов применительно к этим веществам. Быть может, здесь не излишне заметить относительно понятия химического сродства, что до настоящего времени гравитация, электричество и теплота — все они привлекались к его уяснению. Предпринимались также попытки ввести в теоретическую химию светоносный эфир, и если та связь между явлениями света и электричества, которая была установлена Максвеллом, будет разработана более подробно, в теоретической химии несомненно вновь появятся эти попытки объяснить все или многое с помощью светоносного эфира. Самостоятельная химическая механика материальных частиц материи и их внутренних (атомных) изменений, по моему мнению, возникнет в результате этих усилий. Двести лет назад Ньютон заложил основы истинно научной теоретической механики внешнего видимого движения и на этом фундаменте воздвиг здание небесной механики. Сто лет назад Лавуазье пришел к первому фундаментальному закону внутренней механики невидимых частиц материи. Этот предмет далек от того, чтобы быть развитым в гармоничное целое, поскольку он гораздо сложнее и, хотя многие детали исследованы всесторонне, в нем отсутствуют какие-либо исходные точки. Ньютон появился лишь вслед за Коперником и Кеплером, эмпирически открывшими внешнюю простоту небесных явлений. Лавуазье и Дальтона в отношении химической механики молекулярного мира можно сравнить с Коперником и Кеплером. Но Ньютон в молекулярном мире еще не появился; когда же он явится, я думаю, он отыщет основные законы механики невидимых движений материи легче и быстрее в химическом строении материи, нежели в физических явлениях (электричества, теплоты и света); ибо последние совершаются частицами материи, уже упорядоченными, тогда как ныне ясно, что задача химической механики главным образом заключается в постижении тех движений, которые невидимо совершаются наименьшими атомами материи.

[32] Теория теплоты дала представление о запасе внутреннего движения или энергии, и потому вместе с ней стало необходимо признать химическую энергию, однако нет никаких оснований отождествлять тепловую энергию с химической. Можно предполагать, но не утверждать с уверенностью, что тепловое движение свойственно молекулам, а химическое — атомам, но так как молекулы состоят из атомов, движение одних передается другим, и по этой причине теплота сильно влияет на реакцию и появляется или исчезает (поглощается) в реакциях. Эти отношения, очевидные и едва ли подлежащие сомнению в общих чертах, все же представляют много сомнительного в деталях, поскольку все формы молекулярного и атомного движения способны переходить друг в друга.

[33] Реакции, происходящие (при обычной или высокой температуре) непосредственно между веществами, можно отчетливо разделить на экзотермические, сопровождающиеся выделением тепла, и эндотермические, сопровождающиеся поглощением тепла. Очевидно, что последние требуют источника тепла. Они обусловливаются либо непосредственно окружающей средой (как при образовании сероуглерода из древесного угля и серы, либо при разложениях, происходящих при высоких температурах), либо вторичной реакцией, протекающей одновременно, либо какой-либо иной формой энергии (светом, электричеством). Так, например, сероводород разлагается йодом в присутствии воды за счет тепла, которое выделяется при растворении в воде образующегося йодистого водорода. Именно поэтому данная реакция, будучи экзотермической, протекает только в присутствии воды; в противном случае она сопровождалась бы эффектом охлаждения. Поскольку при соединении разнородных веществ должны разрываться связи, существующие между молекулами и атомами однородных веществ, тогда как в реакциях перегруппировки образование любого одного вещества происходит одновременно с образованием другого, и поскольку в реакциях совершается ряд физических и механических изменений, невозможно отделить теплоту, непосредственно зависящую от данной реакции, от общей суммы наблюдаемого теплового эффекта. По этой причине термохимические данные весьма сложны и не могут сами по себе дать ключ ко многим химическим проблемам, как первоначально предполагалось. Они должны составлять часть химической механики, но сами по себе ее не образуют.

[34] Подобно тому как химические реакции осуществляются нагреванием, теплота, поглощаемая веществами до разложения или изменения состояния и называемая «удельной теплотой», во многих случаях идет на подготовку, если можно так выразиться, реакции, даже когда предел температуры реакции не достигнут. Молекулы вещества А, неспособного реагировать с веществом В ниже температуры t, при нагревании от несколько более низкой температуры до t претерпевают то изменение, которого необходимо было достичь для образования АВ.

[35] Можно вообразить, что причиной очень многих подобных реакций служит то обстоятельство, что вещества, взятые в обособленном состоянии, например древесный уголь, представляют сложную молекулу, составленную из отдельных атомов углерода, скрепленных (соединенных, как принято говорить) значительным сродством; ибо атомы одного и того же рода, точно так же как и атомы разных родов, обладают взаимным сродством. Сродство хлора к углероду, хотя и не будучи способным разорвать эту связь, может оказаться достаточным для образования устойчивого соединения с атомами углерода, которые уже разобщены. Такой взгляд на предмет представляет гипотезу, которая, хотя и господствует в настоящее время, не имеет достаточно прочного основания. Очевидно, однако, что не только сама химическая реакция состоит из движений, но и в образующемся соединении (в молекулах) составляющие его элементы (атомы) находятся в гармоничном устойчивом движении (подобно планетам в солнечной системе), и это движение будет влиять на устойчивость и способность к реакциям, а потому механическая сторона химического действия должна быть чрезвычайно сложной. Подобно тому как существуют твердые, физически постоянные нелетучие вещества, такие как горная порода, золото, древесный уголь и т. д., точно так же существуют стойкие и химически постоянные тела; в то время как физически летучим веществам соответствуют такие тела, как камфора, химически неустойчивые и изменчивые.

[36] Контактные явления отдельно и подробно рассматриваются в труде профессора Коновалова (1884). По моему мнению, следует считать, что состояние внутренних движений атомов в молекулах изменяется в точках соприкосновения веществ, и это состояние определяет химические реакции, а следовательно, реакции соединения, разложения и перегруппировки совершаются путем контакта. Профессор Коновалов показал, что ряд веществ при определенных условиях их поверхностей действует путем контакта; например, тонко измельченный кремнезем (из гидрата) действует точно так же, как платина, разлагая некоторые сложные эфиры. Поскольку реакции совершаются только при тесном контакте, вполне вероятно, что те изменения в распределении атомов в молекулах, которые наступают вследствие контактных явлений, подготавливают путь для них. Этим роль контактных явлений значительно расширяется. Подобные явления должны объяснять тот факт, что смесь водорода и кислорода дает воду (взрывается) при различных температурах в зависимости от рода нагретого вещества, передающего эту температуру. В химической механике явления подобного рода имеют огромное значение, но до сих пор они мало изучены. Не следует забывать, что контакт есть необходимое условие для всякой химической реакции.

ГЛАВА I. О ВОДЕ И ЕЕ СОЕДИНЕНИЯХ

Вода встречается почти повсеместно в природе и во всех трех физических состояниях. В виде пара вода присутствует в атмосфере, и в этой форме она распределена по всей поверхности земли. Водяной пар при сгущении, путем охлаждения, образует снег, дождь, град, росу и туман. Один кубический метр (или 1 000 000 кубических сантиметров, или 1000 литров, или 35,316 кубических футов) воздуха может содержать при 0° только 4,8 грамма воды, при 20° — около 17,0 граммов, при 40° — около 50,7 граммов; но обыкновенный воздух содержит лишь около 60 процентов этого максимума. Воздух, содержащий менее 40 процентов, ощущается сухим, тогда как воздух, содержащий более 80 процентов от того же максимума, считается отчетливо сырым. [1] Вода в жидком состоянии, выпадая в виде дождя и снега, впитывается в почву и собирается в родники, озера, реки, моря и океаны. Она поглощается из почвы корнями растений, которые в свежем состоянии содержат от 40 до 80 процентов воды по весу. Животные содержат примерно такое же количество воды. В твердом состоянии вода предстает в виде снега, льда или в промежуточной форме между ними, которая наблюдается на горах, покрытых вечными снегами. Вода рек, [2] родников, океанов и морей, озер и колодцев содержит различные вещества в растворе, главным образом соль — то есть вещества, сходные с обычной поваренной солью по своим физическим свойствам и главным химическим превращениям. Притом количество и природа этих солей различны в разных водах. [3] Каждому известно, что существуют воды соленые, пресные, железистые и прочие. Присутствие около 3½ процентов солей делает морскую воду [4] горькой на вкус и увеличивает ее удельный вес. Пресная вода также содержит соли, но лишь в сравнительно небольшом количестве. Их присутствие легко доказывается простым выпариванием воды в сосуде. При выпаривании вода улетучивается в виде пара, тогда как соли остаются на дне. Именно поэтому на внутренних стенках чайников, котлов и других сосудов, в которых кипятится вода, отлагается корка (накипь), состоящая из солей, находившихся прежде в растворе. Проточная вода (реки и т. д.) насыщена солями вследствие того, что она образуется из скопления дождевой воды, просачивающейся сквозь почву. При просачивании вода растворяет определенные части почвы. Так, вода, фильтрующаяся или проходящая через солончаковые или известковые почвы, насыщается солями или содержит углекислый кальций (мел). Дождевая вода и снег гораздо чище речной или родниковой воды. Тем не менее, проходя через атмосферу, дождь и снег успевают захватить удерживаемую в ней пыль и растворить воздух, который обнаруживается в любой воде. Растворенные газы атмосферы частично выделяются в виде пузырьков из воды при нагревании, и вода после долгого кипения оказывается полностью свободна от них.

В общих выражениях водой называют такую, которая прозрачна и свободна от нерастворимых частиц, находящихся во взвешенном состоянии и видимых невооруженным глазом, от которых она может быть очищена фильтрованием через уголь, песок или пористые (природные или искусственные) камни, и когда она обладает чистым свежим вкусом. Это зависит от отсутствия какого-либо вкуса, разлагающихся органических веществ, от количества воздуха [5] и атмосферных газов в растворе и от присутствия минеральных веществ в количестве около 300 граммов на тонну (или 1000 килограммов на кубический метр, или, что то же самое, 300 миллиграммов на килограмм или литр воды) и не более 100 граммов органических веществ. [6] Такая вода пригодна для питья и любого практического применения, но очевидно, что она не является чистой в химическом смысле. Химически чистая вода необходима не только для научных целей как самостоятельное вещество с постоянными и определенными свойствами, но также и для многих практических целей — например, в фотографии и при приготовлении лекарств, — потому что многие свойства веществ в растворе изменяются примесями природных вод. Вода обычно очищается перегонкой, поскольку растворенные твердые вещества не превращаются в паровую форму в этом процессе. Такая дистиллированная вода приготавливается химиками и в лабораториях кипячением воды в закрытых металлических котлах или перегонных кубах и направлением образующегося пара в холодильник — то есть через трубки (которые должны быть изготовлены из олова или во всяком случае залужены, так как вода и ее примеси не действуют на олово), окруженные холодной водой и в которых пар, охлаждаясь, сгущается в воду, собираемую [7] в приемник. Однако при стоянии на открытом воздухе вода со временем поглощает воздух и несомую им пыль. Тем не менее при перегонке вода помимо воздуха удерживает некоторое количество летучих примесей (особенно органических), а стенки перегонного аппарата частично разъедаются водой, и часть их вещества, хотя и малая, делает воду не вполне чистой, причем при выпаривании остается осадок. [8]

Для некоторых физических и химических исследований необходимо, однако, иметь совершенно чистую воду. Чтобы получить ее, в дистиллированную воду добавляют раствор перманганата калия до тех пор, пока вся масса не приобретет светло-розовую окраску. Этим способом содержащиеся в воде органические вещества разрушаются (превращаясь в газы или нелетучие вещества). Избыток перманганата калия не приносит вреда, так как при последующей перегонке он остается в перегонном аппарате. Вторую перегонку следует проводить в платиновой реторте с платиновым приемником. Платина — это металл, на который не действуют ни воздух, ни вода, и поэтому ничто из нее не переходит в воду. Вода, получаемая в приемнике, все еще содержит воздух. Затем ее необходимо долго кипятить и впоследствии охладить в вакууме под колоколом воздушного насоса. Чистая вода не оставляет никакого остатка при испарении; нисколько не изменяется, как бы долго ее ни хранили; не разлагается подобно воде, перегнанной только один раз, или неочищенной; и она не выделяет пузырьков газа при нагревании, а также не изменяет окраску раствора перманганата калия.

Вода, очищенная вышеописанным способом, обладает постоянными физическими и химическими свойствами. Например, только у такой воды один кубический сантиметр весит один грамм при 4° C — т. е. только у такой чистой воды удельный вес равен 1 при 4° C. Вода в твердом состоянии образует кристаллы гексагональной системы, которые наблюдаются в снеге, состоящем обычно из звездчатых сростков нескольких кристаллов, а также в полурастопленном разрозненном льду, плавающем в реках весной. В это время года лед распадается на стержни или призмы, ограниченные углами, свойственными веществам, кристаллизующимся в гексагональной системе.

Температуры, при которых вода переходит из одного состояния в другое, принимаются за фиксированные точки на шкале термометра: а именно, нуль соответствует температуре таяния льда, а температура пара, выделяющегося из кипящей при нормальном барометрическом давлении воды (то есть 760 миллиметров при измерении при 0°, на широте 45°, на уровне моря), принимается за 100° по шкале Цельсия. Таким образом, тот факт, что вода разжижается при 0° и кипит при 100°, принимается за одно из ее свойств как определенного химического соединения. Вес литра воды при 4° составляет 1000 граммов, при 0° — 999,8 грамма. Вес литра льда при 0° меньше — а именно 917 граммов; вес той же кубической меры водяного пара при давлении 760 мм и 100° составляет всего 0,60 грамма; плотность пара по сравнению с воздухом равна 0,62, а по сравнению с водородом — 9.

Эти данные кратко характеризуют физические свойства воды как отдельного вещества. К этому можно добавить, что вода представляет собой подвижную жидкость, бесцветную, прозрачную, без вкуса и запаха и т. д. Ее скрытая теплота испарения составляет 534 единицы, а плавления — 79 единиц теплоты. Большое количество тепла, запасаемого в водяном паре, а также в жидкой воде (поскольку ее удельная теплота больше, чем у других жидкостей), делает ее пригодной в обеих формах для целей отопления. Химические реакции, которым подвергается вода и посредством которых она образуется, столь многочисленны и так тесно связаны с реакциями многих других веществ, что описать большинство из них на столь ранней стадии изложения химии невозможно. С многими из них мы познакомимся впоследствии, а в настоящее время приведем лишь некоторые соединения, образуемые водой. Чтобы наглядно увидеть природу различных видов соединений, образуемых водой, мы начнем с наиболее слабых, которые определяются чисто механическими поверхностными свойствами реагирующих веществ.

Вода механически притягивается многими веществами; она прилипает к их поверхностям точно так же, как пыль прилипает к предметам или один кусок полированного стекла прилипает к другому. Такое притяжение называется «смачиванием», «пропитыванием» или «поглощением воды». Так, вода смачивает чистое стекло и прилипает к его поверхности, поглощается почвой, песком и глиной и не стекает с них, а задерживается между их частицами. Подобным же образом вода впитывается в губку, ткань, волосы, бумагу и т. д., но жиры и жировые вещества в целом не смачиваются. Притяжение такого рода не изменяет физических или химических свойств воды. Например, при таких обстоятельствах вода, как известно из повседневного опыта, может быть удалена из предметов путем высушивания. Вода, удерживаемая каким-либо образом механически, может быть вытеснена механическими средствами: трением, давлением, центробежной силой и т. д. Так, вода отжимается из мокрой ткани давлением или с помощью центробежных машин. Но предметы, которые на практике называются сухими (поскольку они не кажутся влажными), часто все же содержат влагу, что можно доказать путем нагревания предмета в стеклянной трубке, запаянной с одного конца. Если поместить кусочек бумаги, сухую землю или любой подобный предмет (особенно пористые вещества) в такую стеклянную трубку и нагреть ту часть трубки, где находится предмет, то можно заметить, что вода конденсируется на более холодных частях трубки. Присутствие такой поглощенной или «гигроскопической» воды обычно лучше всего обнаруживается в нелетучих веществах путем их высушивания при 100° или под колоколом воздушного насоса над веществами, химически притягивающими воду. Взвешивая вещество до и после высушивания, легко определить количество гигроскопической воды по потерю в весе. Лишь в этом случае к оценке количества воды следует подходить с осторожностью, поскольку потеря в весе иногда может происходить вследствие разложения самого вещества с выделением газов или пара. При выполнении точных взвешиваний необходимо постоянно иметь в виду гигроскопическую способность веществ — то есть их способность поглощать влагу, так как в противном случае вес окажется неверным из-за присутствия влаги. Количество поглощенной влаги зависит от степени влажности атмосферы (то есть от упругости содержащегося в ней водяного пара), в которой находится вещество. В совершенно сухой атмосфере или в вакууме гигроскопическая вода удаляется, превращаясь в пар; поэтому вещества, содержащие гигроскопическую воду, могут быть полностью высушены помещением их в сухую атмосферу или в вакуум. Этому процессу способствует нагревание, так как оно увеличивает упругость водяного пара. Для сушки газов чаще всего применяют серный ангидрид (белый порошок), жидкую серную кислоту, твердый и пористый хлористый кальций или белый порошок прокаленного сульфата меди. Они поглощают влагу, содержащуюся в воздухе и во всех газах, в значительной, но не безграничной степени. Серный ангидрид и хлористый кальций расплываются на воздухе, отсыревают, серная кислота превращается из маслянистой густой жидкости в более подвижную, а прокаленный сульфат меди становится синим; после этих изменений эти вещества отчасти теряют способность удерживать воду и при ее избытке могут даже отдавать свою воду атмосфере. Мы можем отметить, что порядок, в котором эти вещества перечислены выше, соответствует порядку их способности поглощать влагу. Воздух, высушенный хлористым кальцием, все еще содержит определенное количество влаги, которую он может отдать серной кислоте. Наиболее полное высушивание происходит при использовании серного ангидрида. Воду также удаляют из многих веществ, помещая их в чашку над сосудом с водопоглощающим веществом под стеклянным колпаком. Колпак, подобно колоколу воздушного насоса, должен быть герметически закрыт. В этом случае высушивание происходит потому, что, например, серная кислота сначала сушит воздух под колпаком, поглощая его влагу, затем высушиваемое вещество отдает свою влагу сухому воздуху, откуда она снова поглощается серной кислотой и т. д. Высушивание протекает еще лучше под колоколом воздушного насоса, так как тогда водяной пар образуется быстрее, чем под наполненным воздухом колпаком.

Из сказанного выше очевидно, что переход влаги к газам и поглощение гигроскопической влаги имеют большое сходство с химическими соединениями с водой, но все же ими не являются. Вода, находясь в связанном в качестве гигроскопической воды виде, не теряет своих свойств и не образует новых веществ.

Иной характер имеет притяжение воды к веществам, которые в ней растворяются. При растворении веществ в воде происходит своеобразный вид неопределенного соединения; из двух взятых веществ образуется новое однородное вещество. Но и здесь связь, соединяющая вещества, весьма неустойчива. Вода, содержащая в растворе различные вещества, кипит при температуре, близкой к ее обычной температуре кипения. Из растворов веществ, которые легче самой воды, получаются растворы меньшей плотности, чем вода — как, например, при растворении спирта в воде; в то время как более тяжелое вещество при растворении в воде придает ей более высокий удельный вес. Так, соленая вода тяжелее пресной.

Мы рассмотрим водные растворы довольно подробно, поскольку, помимо прочего, растворы постоянно образуются на земле и в земных водах, в растениях и животных, в химических процессах и в технике, и эти растворы играют важную роль в происходящих повсеместно химических превращениях не только потому, что вода встречается везде, но главным образом потому, что вещество в растворе представляет наиболее благоприятные условия для процесса химических изменений, требующих подвижности частей и возможного их рассредоточения. Растворяясь, твердое вещество приобретает подвижность частей, а газ теряет свою упругость, и поэтому в растворах часто протекают реакции, которые не идут в нерастворенных веществах. Кроме того, вещество, распределенное в воде, очевидно, распадается — то есть становится более похожим на газ и приобретает большую подвижность частей. Все эти соображения требуют, чтобы при описании свойств веществ особое внимание уделялось их отношению к воде как растворителю.

Рис. 14. Способ переведения газа в цилиндр, наполненный ртутью и погруженный открытым концом под ртуть в ванне с двумя стеклянными стенками. Аппарат, содержащий газ, изображен справа. Его верхний конец снабжен трубкой, проходящей под цилиндр. Нижняя часть сосуда сообщается с вертикальной трубкой. Если в эту трубку налить ртуть, давление газа в аппарате увеличивается, и он через газопроводную трубку поступает в цилиндр, где вытесняет ртуть и может быть измерен или подвергнут действию поглощающих агентов, таких как вода.

Хорошо известно, что вода растворяет многие вещества. Соль, сахар, спирт и ряд других веществ растворяются в воде и образуют с ней однородные жидкости. Для демонстрации растворимости газов в воде следует взять газ, обладающий высоким коэффициентом растворимости, — например, аммиак. Его вводят в колокол (или цилиндр, как на рис. 14), предварительно наполненный ртутью и стоящий в ртутной ванне. Если затем в цилиндр ввести воду, ртуть поднимется вследствие растворения аммиачного газа в воде. Если ртутный столбик меньше барометрического и воды достаточно для растворения газа, весь аммиак поглотится водой. Вода вводится в цилиндр с помощью стеклянной пипетки с изогнутым концом. Изогнутый конец помещают в воду, а с верхнего конца отсасывают воздух. Наполнившись водой, ее верхний конец закрывают пальцем, а изогнутый конец помещают в ртутную ванну под отверстие цилиндра. При вдувании воздуха в пипетку вода благодаря своей легкости поднимется к поверхности ртути в цилиндре. Растворимость такого газа, как аммиак, можно продемонстрировать, взяв колбу, наполненную газом и закрытую пробкой с проходящей через нее трубкой. При помещении трубки под воду вода поднимется в колбу (чему можно способствовать предварительным нагреванием колбы) и начнет бить внутри нее наподобие фонтана. Как подъем ртути, так и фонтан наглядно показывают значительное сродство воды к газу аммиаку, и сила, действующая при этом растворении, становится очевидной. Для однородного смешения газов (диффузии), а также для процесса растворения, зависящего не только от поверхности участвующих веществ, но и от их природы, требуется определенное время. Это видно из опыта. Растворы различных веществ, более тяжелых, чем вода, таких как соль или сахар, наливают в высокие цилиндры. Затем чистая вода очень осторожно наливается (через воронку) поверх растворов так, чтобы не потревожить нижний слой, и цилиндры оставляют в покое. Граница раздела между раствором и чистой водой будет видна благодаря их различным коэффициентам преломления. Несмотря на то, что взятые растворы тяжелее воды, по истечении некоторого времени наступает полное смешение. Гей-Люссак убедился в этом факте с помощью особого опыта, который он проводил в подвалах Парижской астрономической обсерватории. Эти подвалы хорошо известны как место, где проводились многочисленные интересные исследования, поскольку благодаря своей глубине под землей они имеют постоянную температуру в течение всего года; температура не изменяется и в течение дня, что было необходимо для экспериментов по диффузии растворов, чтобы не возникало сомнений в результатах из-за суточного изменения температуры (опыт длился несколько месяцев), которое вызывало бы токи в жидкостях и перемешивало бы их слои. Несмотря на постоянство температуры, растворенное вещество со временем поднялось в воду и распределилось в ней равномерно, доказывая, что между водой и растворенным в ней веществом существует особая рода притяжение или стремление к взаимному взаимопроникновению вопреки силе тяжести. Далее, это стремление, или скорость диффузии, различны для соли, сахара или различных других веществ. Отсюда следует, что при растворении действует особая сила, как и в настоящих химических соединениях, и растворение определяется особым видом движения (химической энергией вещества), свойственным растворенному веществу и растворителю.

Грэгем провел серию экспериментов, подобных описанным выше, и показал, что скорость диффузии в воде весьма различна — то есть равномерное распределение вещества в растворяющей его воде достигается за разные промежутки времени с различными растворами. Грэгем сравнил диффузионную способность с летучестью. Существуют вещества, которые диффундируют легко, и есть другие, которые диффундируют с трудом, точно так же, как существуют более или менее летучие вещества. Семьсот кубических сантиметров воды были налиты в сосуд, и с помощью сифона (или пипетки) туда осторожно налили 100 куб. сантиметров раствора, содержащего 10 граммов вещества, так, чтобы он занял нижнюю часть сосуда. По прошествии нескольких дней отбирались последовательные слои по 50 кубических сантиметров сверху вниз, и определялось количество вещества, растворенного в различных слоях. Так, обычная поваренная соль через четырую недели дала следующие количества (в миллиграммах) в соответствующих слоях, начиная сверху: 104, 120, 126, 198, 267, 340, 429, 535, 654, 766, 881, 991, 1090, 1187 и 2266 в остатке; в то время как альбумин за то же время дал в первых семи слоях очень небольшое количество, а начиная с восьмого слоя — 10, 15, 47, 113, 343, 855, 1892 и в остатке 6725 миллиграммов. Таким образом, диффузионная способность раствора зависит от времени и от природы растворенного вещества, каковой факт может служить не только для объяснения процесса растворения, но и для различения одного вещества от другого. Грэгем показал, что вещества, которые быстро диффундируют через жидкости, способны быстро проходить через мембраны и кристаллизоваться, в то время как вещества, которые диффундируют медленно и не кристаллизуются, являются коллоидами, то есть похожи на клей, медленно проникают через мембрану и образуют студни, то есть находятся в нерастворимых формах, как будет объяснено при рассмотрении кремнезема.

Следовательно, если желательно увеличить скорость растворения, необходимо прибегнуть к перемешиванию, встряхиванию или какому-либо подобному механическому движению. Но если однородный раствор уже образовался, он останется однородным, какова бы ни была тяжесть растворенного вещества и как бы долго раствор ни оставляли в покое, каковой факт снова указывает на наличие силы, удерживающей вместе частицы растворенного тела и растворителя.

При рассмотрении процесса растворения, помимо понятия диффузии, необходимо еще одно фундаментальное понятие — а именно понятие о насыщении растворов.

Подобно тому как влажный воздух может быть разбавлен любым желаемым количеством сухого воздуха, точно так же можно взять неопределенно большое количество жидкого растворителя, и все же будет получен однородный раствор. Но больше определенного количества водяного пара нельзя ввести в определенный объем воздуха при определенной температуре. Избыток сверх точки насыщения останется в жидком состоянии. Отношение между водой и растворенными в ней веществами аналогично. Больше определенного количества вещества не может при определенной температуре раствориться в данном количестве воды; избыток не соединяется с водой. Точно так же, как воздух или газ насыщается паром, вода насыщается растворенным в ней веществом. Если добавить избыток вещества к воде, которая уже насыщена им, оно останется в своем первоначальном состоянии и не будет диффундировать через воду. Количество вещества (выраженное в объемах для газов или в весах для твердых тел и жидкостей), способное насытить 100 частей воды, называется коэффициентом растворимости, или растворимостью. В 100 граммах воды при 15° может раствориться не более 35,86 грамма поваренной соли. Следовательно, ее растворимость при 15° равна 35,86. Важнейшее значение имеет обращение внимания на существование твердых нерастворимых веществ природы, поскольку от них зависит форма тел земной поверхности, растений и животных. На поверхности земли так много воды, состоящей из растворимых веществ, что если бы поверхность тел была образована ими, она бы постоянно изменялась, и сколь бы прочными ни были их формы, горы, берега рек и морские побережья, растения и животные, а также жилища и укрытия людей не смогли бы просуществовать сколько-нибудь долгое время.

Вещества, которые легко растворимы в воде, имеют с ней некоторое сходство. Так, сахар и соль во многих своих внешних признаках напоминают лед. Металлы, не растворимые в воде, не имеют с ней ничего общего, в то время как, с другой стороны, они растворяют друг друга в расплавленном состоянии, образуя сплавы, точно так же, как маслянистые вещества растворяют друг друга; например, сало растворимо в керосине и в оливковом масле, хотя все они нерастворимы в воде. Отсюда очевидно, что аналогия веществ, образующих раствор, играет важную роль, и так как водные и все другие растворы являются жидкостями, есть все основания полагать, что в процессе растворения твердые и газообразные вещества изменяются в физическом смысле, переходя в жидкое состояние. Эти соображения проясняют многие стороны растворения — как, например, изменение коэффициента растворимости с температурой и выделение или поглощение тепла при образовании растворов.

Растворимость — то есть количество вещества, необходимое для насыщения — изменяется с температурой, причем с повышением температуры растворимость твердых веществ обычно возрастает, а газов — уменьшается; этого и следовало ожидать, так как твердые вещества при нагревании, а газы при охлаждении приближаются к жидкому или растворенному состоянию. Для выражения изменения растворимости с температурой часто применяют графический метод. На оси абсцисс или на горизонтальной линии откладывают температуры и восстанавливают перпендикуляры, соответствующие каждой температуре, длина которых определяется растворимостью соли при этой температуре — выражая, например, одну весовую часть соли в 100 частях воды одной единицей длины, такой как миллиметр. Соединяя вершины перпендикуляров, получают кривую, выражающую степень растворимости при различных температурах. Для твердых тел кривая обычно является восходящей — т. е. удаляется от горизонтальной линии по мере повышения температуры. Эти кривые своим наклоном наглядно показывают степень быстроты возрастания растворимости с температурой. Определив несколько точек кривой — то есть выполнив определение растворимости для нескольких температур, — можно по полученной форме кривой определить растворимость при промежуточных температурах; таким способом можно исследовать эмпирический закон растворимости. Результаты исследований показали, что растворимость некоторых солей — как, например, обычной поваренной соли — сравнительно мало изменяется с температурой; в то время как для других веществ растворимость увеличивается на равные величины при равных приращениях температуры. Так, например, для насыщения 100 частей воды хлористым калием требуется при 0° 29,2 части, при 20° — 34,7, при 40° — 40,2, при 60° — 45,7 и так далее; на каждые 10° растворимость возрастает на 2,75 весовой части соли. Поэтому растворимость хлористого калия в воде может быть выражена прямым уравнением: a = 29,2 + 0,275 t, где a представляет растворимость при t°. Для других солей требуются более сложные уравнения. Например, для селитры: a = 13,3 + 0,574 t + 0,01717 t^2 + 0,0000036 t^3, что показывает, что при t = 0° a = 13,3, при t = 10° a = 20,8, а при t = 100° a = 246,0.

Кривые растворимости дают средство для вычисления количества соли, выделяющейся при известном охлаждении раствора, насыщенного при данной температуре. Например, если взять 200 частей раствора хлористого калия в воде, насыщенного при температуре 60°, и спросить, сколько соли выделится при охлаждении раствора до 0°, если его растворимость при 60° = 45,7, а при 0° = 29,2? Ответ получается следующим образом: при 60° насыщенный раствор содержит 45,7 части хлористого калия на 100 весовых частей воды, следовательно, 145,7 весовой части раствора содержат 45,7 части, или, по пропорции, 200 весовых частей раствора содержат 62,7 части соли. Количество соли, остающейся в растворе при 0°, вычисляется следующим образом: в 200 граммах взятого раствора будет содержаться 137,3 грамма воды; следовательно, это количество воды способно удерживать лишь 40,1 грамма соли, а потому при понижении температуры от 60° до 0° из раствора должно выделиться 62,7 - 40,1 = 22,6 грамма растворенной соли.

Различием в растворимости солей и т. д. при повышении или понижении температуры часто пользуются, особенно в технической работе, для отделения солей друг от друга при их совместном присутствии. Так, смесь хлористых калия и натрия (эта смесь встречается в природе в Штасфурте) разделяется из насыщенного раствора путем попеременного подвергания кипячению (испарению) и охлаждению. Хлористый натрий выделяется пропорционально количеству воды, удаляемой из раствора кипячением, и удаляется, в то время как хлористый калий выделяется при охлаждении, так как растворимость этой соли быстро уменьшается с понижением температуры. Селитра, сахар и многие другие растворимые вещества очищаются (рафинируются) подобным же образом.

Хотя в большинстве случаев растворимость твердых тел возрастает с температурой, существуют некоторые твердые вещества, растворимость которых при нагревании уменьшается. Глаберова соль, или сульфат натрия, представляет особенно поучительный пример рассматриваемого случая. Если эту соль взять в безводном состоянии (лишенную кристаллизационной воды), то ее растворимость в 100 частях воды изменяется с температурой следующим образом: при 0° 5 частей соли образуют насыщенный раствор; при 20° — 20 частей соли, при 33° — более 50 частей. Растворимость, как видно, возрастает с температурой, как это имеет место почти для всех солей; но начиная с 33° она внезапно уменьшается, и при температуре 40° растворяется менее 50 частей соли, при 60° — только 45 частей соли, а при 100° — около 43 частей соли в 100 частях воды. Это явление может быть объяснено следующими фактами: во-первых, тем, что эта соль образует различные соединения с водой, как будет объяснено далее; во-вторых, тем, что при 33° соединение Na2SO4 + 10H2O, образующееся из раствора при более низких температурах, плавится; и в-третьих, тем, что при испарении при температуре выше 33° выделяется безводная соль Na2SO4. Из этого примера видно, сколь сложно такое внешне простое явление, как растворение; и все данные, касающиеся растворов, ведут к тому же выводу. Эта сложность становится очевидной при исследовании теплоты растворения. Если бы растворение состояло только из физического изменения, то при растворении газов выделялось бы — а при растворении твердых тел поглощалось бы — ровно столько теплоты, сколько соответствует изменению состояния; но в действительности при растворении всегда выделяется значительное количество тепла, зависящее от того, что в процессе растворения происходит химическое соединение, сопровождающееся выделением тепла. Семнадцать граммов аммиака (этот вес соответствует его формуле NH3), переходя из газообразного состояния в жидкое, выделяют 4400 единиц теплоты (скрытая теплота); то есть количество тепла, необходимое для повышения температуры 4400 граммов воды на 1°. То же количество аммиака при растворении в избытке воды выделяет вдвое больше тепла — а именно 8800 единиц, — показывая, что соединение с водой сопровождается выделением 4400 единиц тепла. Причем главная часть этого тепла выделяется при растворении в малых количествах воды, так что 17 граммов аммиака при растворении в 18 граммах воды (этот вес соответствует его составу H2O) выделяют 7535 единиц тепла, и поэтому образование раствора NH3 + H2O выделяет 3135 единиц тепла сверх того количества, которое обусловлено изменением состояния. Так как при растворении газов теплота сжижения (физического изменения состояния) и химического соединения с водой являются обе положительными (+), то при растворении газов в воде всегда наблюдается тепловой эффект. Это явление иное при растворении твердых веществ, поскольку их переход из твердого состояния в жидкое сопровождается поглощением тепла (отрицательное, - тепло), в то время как их химическое соединение с водой сопровождается выделением тепла (+ тепло); следовательно, их сумма может представлять собой либо охлаждающий эффект, когда положительная (химическая) часть тепла меньше отрицательной (физической), либо, наоборот, нагревающий эффект. Именно так обстоит дело в действительности. 124 грамма тиосульфата натрия (применяемого в фотографии) Na2S2O3·5H2O при плавлении (при 48°) поглощают 9700 единиц тепла, но при растворении в большом количестве воды при обычной температуре поглощают 5700 единиц тепла, что указывает на выделение тепла (около + 4000 единиц), несмотря на охлаждающий эффект, наблюдаемый в процессе растворения в акте химического соединения соли с водой. Но в большинстве случаев твердые вещества при растворении в воде выделяют тепло, несмотря на переход в жидкое состояние, что указывает на столь значительное выделение (+) тепла в акте соединения с водой, что оно превышает поглощение (-) тепла, зависящее от перехода в жидкое состояние. Так, например, хлористый кальций CaCl2, сульфат магния MgSO4 и многие другие соли выделяют тепло при растворении; например, 60 граммов сульфата магния выделяют около 10 000 единиц тепла. Поэтому при растворении твердых тел получается либо охлаждающий, либо нагревающий эффект, в зависимости от разности реагирующих сродств. Когда они значительны — то есть когда вода с трудом отделяется от получающегося раствора и только с повышением температуры (такие вещества поглощают водяной пар), — тогда в процессе растворения выделяется много тепла, точно так же, как во многих реакциях прямого соединения, и поэтому наблюдается значительное нагревание раствора. К числу таковых относится, например, растворение серной кислоты (купоросного масла H2SO4), едкого натра (NaHO) и т. д. в воде.