«Основы химии, Том I»

Будучи столь широко распространен в природе, кислород играет в ней важнейшую роль, ибо от него главным образом зависят многие происходящие перед нами явления. Животные вдыхают воздух ради получения из него исключительно кислорода, причем кислород проникает в их органы дыхания (легкие людей и животных, жабры рыб и трахеи насекомых); они, так сказать, выпивают воздух для поглощения кислорода. Кислород воздуха (или растворенный в воде) проходит через мембраны органов дыхания в кровь, удерживается в ней кровяными тельцами, переносится ими ко всем частям тела, содействует их превращениям, вызывая в них химические процессы и главным образом извлекая из них углерод в виде углекислого газа, бо́льшая часть которого переходит в кровь, растворяется ею и выделяется легкими во время поглощения кислорода. Таким образом, в процессе дыхания выделяется углекислый газ (и вода) и поглощается кислород воздуха, посредством чего кровь превращается из красной венозной в темно-красную артериальную кровь. Прекращение этого процесса влечет за собой смерть, ибо тогда прекращаются все те химические процессы и следующее за ними тепло и работа, которые вызывал введенный в систему кислород. По этой причине удушье и смерть наступают в вакууме или в газе, не содержащем свободного кислорода, т. е. не поддерживающем горение. Если поместить животное в атмосферу свободного кислорода, то сначала его движения весьма активны и отмечается общее оживление, но вскоре наступает реакция, и может последовать смерть. Кислород воздуха при поступлении в легкие разбавлен четырьмя объемами азота, который не всасывается в систему, так что кровь поглощает из воздуха лишь небольшое количество кислорода, в то время как в атмосфере чистого кислорода поглощалось бы большое количество кислорода, что вызвало бы очень быстрое изменение всех частей организма и его разрушение. Из сказанного понятно, что кислород может применяться для дыхания, во всяком случае в течение ограниченного времени, когда органы дыхания страдают при определенных формах удушья и затруднения дыхания [2].

Горение органических веществ — то есть веществ, составляющих основу растений и животных — протекает так же, как горение многих неорганических веществ, таких как сера, фосфор, железо и т. д., за счет соединения этих веществ с кислородом, как было описано во Введении. Разложение, гниение и подобные превращения веществ, происходящие вокруг нас, также очень часто зависят от действия кислорода воздуха, а также переводят его из свободного состояния в связанное. Большинство соединений кислорода, подобно воде, очень стабильны и не отдают свой кислород при обычных природных условиях. Поскольку эти процессы происходят повсеместно, следовало бы ожидать, что количество свободного кислорода в атмосфере должно уменьшаться, причем это уменьшение должно происходить несколько быстро. Это действительно наблюдается там, где горение или дыхание протекает в замкнутом пространстве. Животные задыхаются в замкнутом пространстве, потому что по мере потребления кислорода воздух становится непригодным для дыхания. Точно так же горение через некоторое время прекращается в замкнутом пространстве, что можно доказать простейшим опытом. Стоит лишь поместить накаленное вещество — например, кусочек горящей серы — в стеклянную колбу, которая затем закрывается плотной пробкой для предотвращения доступа наружного воздуха; горение будет продолжаться некоторое время, пока в колбе содержится свободный кислород, но оно прекратится, когда кислород заключенного в ней воздуха соединится с серой. Из сказанного очевидно, что для правильности горения или дыхания требуется постоянное обновление воздуха — то есть горящее вещество или дышащее животное должно иметь доступ к свежему притоку кислорода. Это достигается в жилищах наличием множества окон, вытяжек и вентиляторов, а также током воздуха, производимым печами и плитами. Что касается воздуха над всей земной поверхностью, то количество кислорода в нем почти не уменьшается, потому что в природе идет процесс, возобновляющий запас свободного кислорода. Растения, или точнее их листья, в дневное время [3] под воздействием света поглощают углекислый газ $ ext{CO}_2$ и выделяют свободный кислород. Таким образом, убыль кислорода, происходящая вследствие дыхания животных и горения, восполняется растениями. Если поместить лист в колокол, содержащий воду, и пустить под колокол углекислый газ (поскольку этот газ поглощается растениями, а кислород из него выделяется) и поместить весь аппарат на солнечный свет, то под колоколом будет накапливаться кислород. Этот опыт впервые был проделан Пристли в конце прошлого столетия. Таким образом, жизнь растений на земле служит не только для образования пищи для животных, но и для поддержания постоянного процентного содержания кислорода в атмосфере. За долгое время жизни земли установилось равновесие между процессами, поглощающими и выделяющими кислород, благодаря чему во всей массе атмосферы сохраняется определенное количество свободного кислорода [4].

Кислород был получен как самостоятельный газ в 1774 г. Пристли в Англии и в том же году Шееле в Швеции, но его природа и великое значение были полностью выяснены лишь Лавуазье.

Свободный кислород может быть получен тем или иным способом из всех веществ, в которых он встречается. Так, например, кислород многих веществ может быть переведен в воду, из которой, как мы уже видели, можно получить кислород [5]. Сначала мы рассмотрим способы извлечения кислорода из воздуха как вещества, повсеместно распространенного. Однако отделение от него кислорода сопряжено со многими трудностями.

Из воздуха, представляющего собой смесь кислорода и азота, один только азот не может быть удален, потому что он не имеет склонности соединяться непосредственно или легко с каким бы то ни было веществом; и хотя он соединяется с некоторыми веществами (бор, титан), эти вещества одновременно соединяются и с кислородом атмосферы. [6] Однако кислород можно отделить от воздуха, заставляя его соединяться с веществами, которые могут легко разлагаться под действием тепла и при этом выделять поглощенный кислород, то есть используя обратимые реакции. Так, например, кислород атмосферы можно заставить окислить сернистый ангидрид, SO2 (пуская его непосредственно через раскаленную губчатую платину), с образованием серного ангидрида, или трехокиси серы, SO3; и это вещество (являющееся твердым и летучим и потому легко отделяемое от азота и сернистого ангидрида) при дальнейшем нагревании дает кислород и сернистый ангидрид. Едкий натр или известь извлекают (поглощают) сернистый ангидрид из этой смеси, тогда как кислород не поглощается, и таким образом он изолируется из воздуха. В большом масштабе на заводах, как мы увидим в дальнейшем, серный ангидрид превращается в гидрат серного ангидрида, или серную кислоту, H2SO4; если позволить ей капать на раскаленные докрасна каменные плиты, получаются вода, сернистый ангидрид и кислород. Кислород легко выделяется из этой смеси путем пропускания газов над известью. Извлечение кислорода из окиси ртути (Пристли, Лавуазье), получаемой из ртути и кислорода атмосферы, также представляет собой обратимую реакцию, с помощью которой кислород может быть получен из атмосферы. Точно так же при пропускании сухого воздуха через раскаленную трубку, содержащую окись бария, он заставляется соединяться с кислородом воздуха. В этой реакции так называемая перекись бария, BaO2, образуется из окиси бария, BaO, а при более высокой температуре первая выделяет поглощенный кислород и оставляет первоначально взятую окись бария. [7]

Кислород выделяется с особой легкостью целым рядом нестандартных (нестабильных) кислородных соединений, к общему обзору которых мы перейдем, замечая, что многие из этих реакций, хотя и не все, относятся к числу обратимых реакций; [8] так что для получения многих из этих веществ (например, хлорноватокислого калия), богатых кислородом, приходится прибегать к косвенным методам (см. Введение), с которыми мы познакомимся в ходе этой книги.

1. Соединения кислорода с некоторыми металлами и особенно с так называемыми благородными металлами, то есть ртутью, серебром, золотом и платиной, будучи раз полученными, удерживают свой кислород при обычной температуре, но теряют его при температуре красного каления. Эти соединения представляют собой твердые тела, обычно аморфные и неплавкие, и легко разлагаются теплом на металл и кислород. Мы видели пример этого при обсуждении разложения окиси ртути. Пристли в 1774 г. впервые получил чистый кислород путем нагревания окиси ртути с помощью зажигательного стекла и наглядно показал его отличие от воздуха. Он продемонстрировал его характерное свойство поддерживать горение «с замечательной энергией» и назвал его дефлогистированным воздухом.

Рис. 29. Получение кислорода из перекиси марганца и серной кислоты. Выделяющийся газ пропускается через склянку Вульфа, содержащую едкое кали.

2. Вещества, называемые перекисями [9], выделяют кислород при большем или меньшем нагревании (а также под действием многих кислот). Они обычно содержат металлы, соединенные с большим количеством кислорода. Перекиси представляют собой высшие окислы определенных металлов; металлы, которые их образуют, как правило, дают несколько соединений с кислородом. Наиболее низкие степени окисления, содержащие наименьшее количество кислорода, обычно представляют собой вещества, способные легко реагировать с кислотами, например с серной кислотой. Такие низшие окислы называются основаниями. Перекиси содержат больше кислорода, чем основания, образованные теми же металлами. Например, окись свинца содержит 7,1 части кислорода на 100 частей и является основной, но перекись свинца содержит 13,3 части кислорода на 100 частей. Перекись марганца представляет собой аналогичное вещество и является твердым веществом темного цвета, встречающимся в природе. Она применяется в технических целях под названием черной окиси марганца (по-немецки «Braunstein», пиролюзит минералога). Перекиси способны выделять кислород при более или менее повышенной температуре. При этом они расстаются не со всем своим кислородом, а лишь с частью его и превращаются в низшую окись или основание. Так, например, перекись свинца при нагревании дает кислород и окись свинца. Разложение этой перекиси протекает довольно легко при нагревании даже в стеклянном сосуде, но перекись марганца выделяет кислород только при сильном красном калении, и поэтому кислород из нее может быть получен только в железных или других металлических, либо глиняных сосудах. Раньше это был метод получения кислорода. Перекись марганца расстается только с одной третью своего кислорода (согласно уравнению 3MnO2 = Mn3O4 + O2), тогда как две трети остаются в твердом веществе, составляющем остаток после нагревания. Металлические перекиси также способны выделять кислород при нагревании с серной кислотой. При этом они выделяют как раз то количество кислорода, которое находится в избытке по сравнению с необходимым для образования основания, причем последнее реагирует с серной кислотой, образуя с ней соединение (соль). Так, перекись бария при нагревании с серной кислотой образует кислород и окись бария, которая дает с серной кислотой соединение, называемое сернокислым барием (BaO2 + H2SO4 = BaSO4 + H2O + O). [9 bis] Эта реакция обычно протекает с большей легкостью, чем разложение перекисей одним лишь теплом. Для экспериментальных целей обычно берут порошкообразную перекись марганца, смешивают ее с крепкой серной кислотой в колбе и устанавливают прибор, как показано на рис. 28. Выделяющийся газ пропускают через склянку Вульфа, содержащую раствор едкого кали, для очистки его от углекислого ангидрида и хлора, которые сопровождают выделение кислорода из коммерческой перекиси марганца, и газ не собирают до тех пор, пока тлеющая лучинка, помещенная перед выпускным отверстием, не вспыхнет пламенем, что указывает на то, что выходящий газ является кислородом. При этом методе разложения перекиси марганца серной кислотой выделяется не одна треть, как при нагревании, а половина кислорода, содержащегося в перекиси (MnO2 + H2SO4 = MnSO4 + H2O + O), то есть из 50 граммов перекиси около 7⅕ грамма, или около 5½ литров, кислорода [10], в то время как при нагревании получается только около 3½ литров. Химики времен Лавуазье обычно получали кислород нагреванием перекиси марганца. В настоящее время известны более удобные методы.

3. Третий источник, к которому можно прибегнуть для получения кислорода, представляют собой кислоты и соли, содержащие много кислорода, которые способны путем потери части или всего своего кислорода превращаться в другие соединения (низшие продукты окисления), разлагающиеся с большим трудом. Эти кислоты и соли (подобно перекисям) выделяют кислород либо при нагревании в одиночку, либо только в присутствии какого-либо другого вещества. В качестве примера кислоты, разлагающейся под действием одного лишь тепла [11], можно привести серную кислоту, так как она распадается при температуре красного каления на воду, сернистый ангидрид и кислород, как упоминалось ранее. Пристли в 1772 году и Шееле несколько позже получили кислород нагреванием селитры до температуры красного каления. Лучший пример образования кислорода при нагревании солей дает хлорноватокислый калий, или соль Бертолле, названная так по имени французского химика, ее открывшего. Хлорноватокислый калий представляет собой соль, состоящую из элементов калия, хлора и кислорода, KClO3. Она встречается в виде прозрачных бесцветных пластинок, растворима в воде, особенно в горячей, и напоминает обычную поваренную соль в некоторых своих реакциях и физических свойствах; она плавится при нагревании и при плавлении начинает разлагаться, выделяя газообразный кислород. Это разложение заканчивается выделением всего кислорода из хлорноватокислого калия, причем в качестве остатка остается хлористый калий согласно уравнению KClO3 = KCl + O3. [12] Это разложение протекает при температуре, позволяющей проводить его в стеклянном сосуде. Однако при разложении расплавленный хлорноватокислый калий вспучивается и кипит и постепенно затвердевает, поэтому выделение кислорода происходит нерегулярно, и стеклянный сосуд может треснуть. Чтобы преодолеть это неудобство, хлорноватокислый калий измельчают и смешивают с порошком вещества, которое является неплавким, неспособным соединяться с выделяющимся кислородом и служит хорошим проводником тепла. Обычно его смешивают с перекисью марганца. [13] Тогда разложение хлорноватокислого калия значительно облегчается и протекает при более низкой температуре (поскольку вся масса в этом случае лучше прогревается как снаружи, так и изнутри), без вспучивания, и этот метод поэтому более удобен, чем разложение одной лишь соли. Этот способ получения кислорода очень удобен; к нему обычно прибегают, когда требуется небольшое количество кислорода. К тому же хлорноватокислый калий легко получается в чистом виде и выделяет много кислорода. 100 граммов соли дают целых 39 граммов, или 30 литров, кислорода. Этот способ настолько прост и удобен [14], что курс практической химии часто начинают с получения кислорода этим методом и водорода с помощью цинка и серной кислоты, так как с помощью этих газов можно проделать много интересных и поразительных опытов. [15]

Раствор хлорной извести, содержащий хлорноватистокальциевую соль, CaCl2O2, выделяет кислород при умеренном нагревании, если добавить небольшое количество определенных окислов — например, окиси кобальта, которая в данном случае действует путем контакта (см. Введение). При нагревании сама по себе хлорная известь не выделяет кислород, но она окисляет окись кобальта до более высокой степени окисления; эта высшая окись кобальта при соприкосновении с хлорной известью разлагается на кислород и низшие продукты окисления, а образующаяся низшая окись кобальта с хлорной известью снова дает высшую окись, которая опять выделяет свой кислород и так далее. [16] Хлорноватокальциевая соль разлагается здесь согласно уравнению CaCl2O2 = CaCl2 + O2. Таким образом, небольшого количества окиси кобальта [17] достаточно для разложения неопределенно большого количества хлорной извести.

Свойства кислорода. [18] — Он представляет собой постоянный газ — то есть он не может быть сжижен давлением при обычной температуре и, кроме того, сжижается с трудом (хотя и легче водорода) при температурах ниже -120°, так как это его абсолютная точка кипения. Поскольку его критическое давление [19] составляет около 50 атмосфер, он может быть легко сжижен под давлениями, превышающими 50 атмосфер, при температурах ниже -120°. По определению Дьюара, плотность кислорода в критическом состоянии равна 0,65 (вода = 1), но, как и все другие вещества в этом состоянии [20], он значительно изменяется в плотности при изменении давления и температуры, и поэтому многие исследователи, проводившие свои наблюдения при высоких давлениях, приводят большую плотность — вплоть до 1,1. Сжиженный кислород представляет собой чрезвычайно подвижную прозрачную жидкость со слабым голубоватым оттенком и кипящую (упругость = 1 атмосфере) около -180°. Кислород, как и все газы, прозрачен и, подобно большинству газов, бесцветен. Он не имеет запаха и вкуса, что очевидно из того факта, что он является составной частью воздуха. Вес одного литра газообразного кислорода при 0° и давлении 760 мм составляет 1,4298 грамма; поэтому он немного плотнее воздуха. Его плотность по отношению к воздуху равна 1,1056, а по отношению к водороду — 16. [21]

Рис. 29. Способ сжигания серы, фосфора, натрия и т. д. в кислороде.

По своим химическим свойствам кислород замечателен тем, что он очень легко — и в химическом смысле энергично — реагирует на целый ряд веществ, образуя кислородные соединения. Однако лишь немногие вещества и смеси веществ (например, фосфор, медь с аммиаком, разлагающиеся органические вещества, альдегид, пирогаллол с щелочью и т. д.) соединяются с кислородом непосредственно при обычной температуре, тогда как многие вещества легко соединяются с кислородом при температуре красного каления, и часто это соединение представляет собой быструю химическую реакцию, сопровождающуюся выделением большого количества тепла. Каждая реакция, протекающая быстро, если она сопровождается столь значительным выделением тепла, которое вызывает каление, называется горением. Таким образом, горение наступает, когда многие металлы погружают в хлор, или окись натрия или бария — в углекислый ангидрид, или когда искра падает на порох. Множество веществ горючи в кислороде, а благодаря его присутствию — и на воздухе. Для начала горения обычно необходимо [22], чтобы горючее вещество было доведено до состояния каления. Продолжение процесса не требует помощи свежего внешнего тепла, так как выделяется достаточно тепла [23] для повышения температуры остальных частей горючего вещества до требуемой степени. Примеры этого всем знакомы из повседневного опыта. Горение протекает в кислороде с большей быстротой и сопровождается более сильным калением, чем на обычном воздухе. Это можно продемонстрировать с помощью ряда весьма убедительных опытов. Если кусочек древесного угля, привязанный к проволоке и предварительно раскаленный докрасна, погрузить в колбу, наполненную кислородом, он быстро сгорает при белом калении — то есть он соединяется с кислородом, образуя газообразный продукт горения, называемый углекислым ангидридом, или углекислотой, CO2. Это тот самый газ, который выделяется при акте дыхания, так как древесный уголь является одним из веществ, получаемых при разложении всех органических веществ, его содержащих, и в процессе дыхания часть составных частей тела, так сказать, медленно горит. Если кусочек горящей серы поместить в небольшую чашечку, прикрепленную к проволоке, и ввести в колбу, наполненную кислородом, то сера, которая горит на воздухе очень слабым пламенем, горит в кислороде с фиолетовым пламенем, которое, хотя и бледно, но гораздо больше, чем на воздухе. Если заменить серу кусочком фосфора [24], то, пока фосфор не нагрет, он соединяется с кислородом очень медленно; но если его нагреть, хотя бы только в одной точке, он горит чрезвычайно ярким белым пламенем. Чтобы нагреть фосфор внутри колбы, проще всего привести в соприкосновение с ним раскаленную докрасна проволоку. Прежде чем древесный уголь сможет гореть, его нужно довести до состояния каления. Сера также не будет гореть ниже 100°, тогда как фосфор воспламеняется при 40°. Фосфор, уже зажженный на воздухе, не столь удобно вводить в колбу, потому что он очень быстро и большим пламенем горит на воздухе. Если небольшой кусочек металлического натрия положить в маленькую чашечку, сделанную из извести [25], расплавить и зажечь [26], он горит на воздухе очень слабо. Но если горящий натрий ввести в кислород, горение усиливается и сопровождается более ярким желтым пламенем. Металлический магний, ярко горящий на воздухе, продолжает гореть с еще большей энергией в кислороде, образуя белый порошок, представляющий собой соединение магния с кислородом (окись магния; магнезия). Полоска железа или стали не горит на воздухе, но железная проволока или стальная пружина могут быть легко сожжены в кислороде. [27] Горение стали или железа в кислороде не сопровождается пламенем, но искры окиси разлетаются во все стороны от горящих частей железа. [28]

Рис. 30. Способ сжигания стальной пружины в кислороде.

Для демонстрации на опыте горения водорода в кислороде газопроводную трубку, согнутую так, чтобы образовать удобную горелку, выводят из сосуда, выделяющего водород. Водород сначала поджигают на воздухе, а затем газопроводную трубку опускают в колбу, содержащую кислород. Горение в кислороде будет аналогично таковому на воздухе; пламя остается бледным, несмотря на то, что его температура значительно повышается. Поучительно отметить, что кислород может гореть в водороде точно так же, как водород в кислороде. Чтобы показать горение кислорода в водороде, к крану газометра, наполненного кислородом, присоединяют трубку, изогнутую вертикально вверх и оканчивающуюся тонким отверстием. Две проволоки, расположенные на таком расстоянии друг от друга, которое позволяет проходить постоянной серии искр от катушки Румкорфа, закреплены перед отверстием трубки. Это делается для воспламенения кислорода, что также может быть сделано путем прикрепления трута вокруг отверстия и его сжигания. Когда проволоки расположены у отверстия трубки и между ними проходит серия искр, тогда перевернутый (вследствие легкости водорода) цилиндр, наполненный водородом, надевают на газопроводную трубку. Когда цилиндр покрывает отверстие газопроводной трубки (и не раньше, так как в противном случае может произойти взрыв), открывают кран газометра, и кислород втекает в водород и воспламеняется искрами. Получаемое пламя аналогично пламени, образующемуся при горении водорода в кислороде. [29] Отсюда очевидно, что пламя представляет собой место, где кислород соединяется с водородом, поэтому пламя горящего кислорода может быть получено так же, как и пламя горящего водорода.

Если вместо водорода взять любой другой горючий газ — например, обычный светильный газ — то явление горения будет совершенно таким же, только получится яркое пламя, а продукты горения будут другими. Однако, поскольку светильный газ содержит значительное количество свободного и связанного водорода, при его горении также образуется значительное количество воды.

Если смешать водород с кислородом в той пропорции, в которой они образуют воду — то есть если взять два объема водорода на каждый объем кислорода — то получится та же смесь, которая добывается при разложении воды гальваническим током — гремучий газ.

Рис. 31. Аппарат Кавендиша для взрывания гремучего газа. Колокол, стоящий в ванне, наполнен смесью двух объемов водорода и одного объема кислорода, и к нему привинчен толстый стеклянный сосуд А. Воздух сначала выкачивается из этого сосуда, так что при открывании крана С он наполняется гремучим газом. Затем кран снова закрывают и производят взрыв с помощью искры от лейденской банки. После того как произошел взрыв, кран снова открывают, и вода поднимается в сосуд А.

Рис. 32. Эвдиометр

Мы уже упоминали в последней главе, что соединение этих газов или их взрыв может быть вызвано действием электрической искры, потому что искра нагревает пространство, через которое она проходит, и действует следовательно образом, подобным воспламенению посредством соприкосновения с накаленным или горящим веществом. [29 bis] Кавендиш проделал этот опыт по воспламенению гремучего газа в конце прошлого столетия в аппарате, показанном на рис. 31. Воспламенение с помощью электрической искры удобно по той причине, что его тогда можно осуществить в закрытом сосуде, и поэтому химики до сих пор применяют этот метод, когда требуется воспламенить смесь кислорода с горючим газом в закрытом сосуде. Для этой цели, особенно со времен Бунзена [30], применяется эвдиометр. Он состоит из толстой стеклянной трубки, разделенной по своей длине на миллиметры (для указания высоты ртутного столба) и откалиброванной на определенный объем (вес ртути). Две платиновые проволоки впаяны в верхний закрытый конец трубки, как показано на рис. 32. [31] С помощью эвдиометра мы можем не только определить объемный состав воды [32] и количественное содержание кислорода в воздухе [33], но и проделать ряд опытов, объясняющих явление горения.

Так, например, с помощью эвдиометра можно продемонстрировать, что для воспламенения гремучего газа требуется определенная температура. Если температура ниже требуемой, соединения не произойдет, но если в какой-нибудь точке внутри трубки она повысится до температуры воспламенения, то в этой точке начнется соединение, которое выделит достаточно тепла для воспламенения соседних частей гремучей смеси. Если к 1 объему гремучего газа прибавить 10 объемов кислорода, или 4 объема водорода, или 3 объема углекислого ангидрида, то мы не получим взрыва при пропускании искры через разбавленную смесь. Это зависит от того факта, что температура падает при разбавлении гремучего газа другим газом, так как тепло, выделяющееся при соединении небольшого количества водорода и кислорода, приведенных в состояние каления искрой, передается не только воде, получающейся от соединения, но и постороннему веществу, смешанному с гремучим газом. [34] Необходимость определенной температуры для воспламенения гремучего газа также видна из того факта, что чистый гремучий газ взрывается в присутствии раскаленной докрасна железной проволоки или угля, нагретого до 275°, но при более низкой степени каления никакого взрыва не происходит. Его можно также вызвать быстрым сжатием, при котором, как известно, выделяется тепло. [35] Опыты, проделанные в эвдиометре, показали, что воспламенение гремучего газа происходит при температуре между 450° и 560°. [36]

Соединение водорода с кислородом сопровождается выделением весьма значительного количества тепла; по определениям Фавра и Сильберманна [37], 1 весовая часть водорода при образовании воды выделяет 34 462 единицы тепла. Многие из новейших определений очень близки к этой цифре, так что можно считать, что при образовании 18 частей воды (H2O) выделяется 69 больших калорий, или 69 000 единиц тепла. [38] Если бы удельная теплоемкость водяного пара (0,48) оставалась постоянной от обычной температуры до той, при которой происходит горение гремучего газа (но теперь нет сомнений, что она возрастает), если бы горение было сосредоточено в одной точке [39] (но оно происходит во всей области пламени), если бы не было потерь на излучение и теплопроводность и не происходило бы диссоциации — то есть не наступало бы состояние равновесия между водородом, кислородом и водой — тогда можно было бы вычислить температуру пламени гремучего газа. Она тогда составила бы 8000°. [40] На самом деле она гораздо ниже, но тем не менее выше температуры, достигаемой в печах и пламенах, и доходит до 2000°. Взрыв гремучего газа объясняется этой высокой температурой, так как образующийся водяной пар должен занимать объем по меньшей мере в 5 раз больший, чем объем, занимаемый гремучим газом при обычной температуре. Гремучий газ издает звук не только вследствие сотрясения, происходящего от быстрого расширения нагретого пара, но также и потому, что за ним немедленно следует охлаждающее действие, превращение пара в воду и быстрое сжатие. [41]

Рис. 34. Предохранительная горелка для гремучего газа, описанная в тексте.

Смеси водорода и различных других газов с кислородом используются для получения высоких температур. С помощью таких высоких температур можно плавить в большом масштабе такие металлы, как платина, что не может быть выполнено в печах, обогреваемых древесным углем и подкармливаемых током воздуха. Горелка, показанная на рис. 34, сконструирована для применения гремучего газа для этой цели. Она состоит из двух латунных трубок, одна из которых вставлена внутрь другой, как показано на чертеже. Внутренняя центральная трубка C C проводит кислород, а внешняя, охватывающая трубка E' E' проводит водород. До их выхода газы не смешиваются друг с другом, так что внутри аппарата не может произойти взрыв. Когда эта горелка находится в употреблении, C соединяется с газомером, содержащим кислород, а E — с газомером, содержащим водород (или иногда светильный газ). Ток газов можно легко регулировать с помощью кранов O H. Пламя бывает самым коротким и выделяет наибольшее тепло, когда сжигаемые газы находятся в пропорции 1 объема кислорода к 2 объемам водорода. О степени тепла можно легко судить по тому факту, что тонкая платиновая проволока, помещенная в пламя правильно сбалансированной смеси, легко плавится. Помещая горелку в отверстие полого куска извести, получают тигель А В, в котором можно легко плавить платину, даже в больших количествах, если ток кислорода и водорода достаточно велик (Девилль). Пламя гремучего газа может также использоваться для осветительных целей. Само по себе оно очень блëдно, но благодаря своей высокой температуре оно может служить для раскаливания неплавких предметов, и при очень высокой температуре, производимой гремучим газом, раскаленное вещество дает наиболее интенсивный свет. Для этой цели используются известь, магнезия или окись циркония, так как они не плавятся при очень высокой температуре, выделяемой гремучим газом. Небольшой цилиндр из извести, помещенный в пламя гремучего газа, если его отрегулировать до требуемой точки, дает очень яркий белый свет, который в свое время предлагался для освещения маяков. В настоящее время в большинстве случаев электрический свет благодаря своей постоянности и другим преимуществам заменил его для этой цели. Свет, производимый накаливанием извести в гремучем газе, называется друммондовым светом, или известковым светом.

Приведенные выше случаи образуют примеры горения элементов в кислороде, но совершенно аналогичные явления наблюдаются при горении соединений. Так, например, твердое, бесцветное, блестящее вещество нафталин, C10H8, горит на воздухе коптящим пламенем, тогда как в кислороде оно продолжает гореть очень ярким пламенем. Спирт, масло и другие вещества ярко горят в кислороде при проведении кислорода по трубке к пламени ламп, сжигающих эти вещества. При этом выделяется высокая температура, которой иногда пользуются в химической практике.

Чтобы понять, почему горение в кислороде протекает быстрее и сопровождается более интенсивным тепловым эффектом, чем горение на воздухе, следует вспомнить, что воздух представляет собой кислород, разбавленный азотом, который не поддерживает горение, и поэтому меньше частиц кислорода подтекает к поверхности вещества, горящего на воздухе, чем при горении в чистом кислороде, помимо чего причиной интенсивности горения в кислороде является высокая температура, приобретаемая горящим в нем веществом. [41 bis]

Рис. 35. Опыт Фарадея для исследования различных частей пламени свечи.

Между явлениями, сопровождающими горение определенных веществ, привлекает внимание явление пламени. Сера, фосфор, натрий, магний, нафталин и т. д. горят подобно водороду пламенем, тогда как при горении других веществ никакого пламени не наблюдается, как, например, при горении железа и древесного угля. Появление пламени зависит от способности горючего вещества давать газы или пары при температуре горения. При температуре горения сера, фосфор, натрий и нафталин переходят в пар, тогда как дерево, спирт, масло и т. д. разлагаются на газообразные и парообразные вещества. Горение газов и паров образует пламена, и поэтому пламя состоит из горящих и раскаленных газов и паров, производимых горением. Легко доказать, что пламена таких нелетучих веществ, как дерево, содержат образующиеся из них летучие и горючие вещества, поместив в пламя трубку, соединенную с аспиратором. Помимо продуктов горения, в аспираторе собираются горючие газы и жидкости, находившиеся ранее в пламени в виде паров. Чтобы этот опыт удался — то есть чтобы действительно извлечь горючие газы и пары из пламени — необходимо, чтобы всасывающая трубка была помещена внутрь пламени. Горючие газы и пары могут оставаться несгоревшими только внутри пламени, ибо на поверхности пламени они приходят в соприкосновение с кислородом воздуха и сгорают. [42] Пламена имеют различную степень яркости в зависимости от того, присутствуют ли в горючем газе или паре твердые раскаленные частицы или нет. Раскаленные газы и пары сами по себе испускают мало света и поэтому дают более бледное пламя. [43] Если пламя не содержит твердых частиц, оно прозрачно, бледно и испускает мало света. [44] Пламена горящих спирта, серы и водорода таковы. Бледное пламя можно сделать светящимся путем помещения в него мелких частиц твердого вещества. Так, если очень тонкую платиновую проволоку поместить в бледное пламя горящего спирта — или, еще лучше, водорода — пламя испускает яркий свет. Это еще лучше видно при просеивании порошка негорючего вещества, такого как мелкий песок, в пламя или при помещении в него пучка асбестовых нитей. Каждое яркое пламя всегда содержит какие-нибудь твердые частицы или по крайней мере какой-нибудь очень плотный пар. Пламя натрия, горящего в кислороде, имеет яркий желтый цвет от присутствия частиц твердой окиси натрия. Пламя магния ярко от того факта, что при горении он образует твердую магнезию, которая накаляется до бела, и точно так же яркость друммондова света обусловлена тем, что тепло пламени поднимает твердую нелетучую известь до состояния накала. Пламена свечи, дерева и подобных веществ ярки, потому что они содержат частицы древесного угля или сажи. Светится не само пламя, а содержащаяся в нем раскаленная сажа. Эти частицы угля, встречающиеся в пламени, можно легко наблюдеть, вводя в пламя холодный предмет, вроде ножа. [45] Частицы угля сгорают на внешней поверхности пламени, если приток воздуха достаточен, но если приток воздуха — то есть кислорода — недостаточен для их горения, пламя коптит, так как несгоревшие частицы угля уносятся током воздуха. [46]

Соединение различных веществ с кислородом может не представлять никаких признаков горения — то есть температура может повышаться лишь незначительно. Это может происходить либо от того факта, что реакция вещества (например, олова, ртути, свинца при высокой температуре или смеси пирогаллола с едким кали при обычной температуре) выделяет мало тепла, либо оттого, что выделившееся тепло передается хорошим проводникам тепла, подобно металлам, либо соединение с кислородом происходит так медленно, что выделившееся тепло успевает перейти к окружающим предметам. Горение есть лишь частный, интенсивный и очевидный случай соединения с кислородом. Дыхание также представляет собой акт соединения с кислородом; оно также служит, подобно горению, для выделения тепла теми химическими процессами, которые его сопровождают (превращение кислорода в углекислый ангидрид). Лавуазье выразил это в ясном изречении: «дыхание есть медленное горение».

Реакции, включающие медленное соединение веществ с кислородом, называются окислениями. Соединение такого рода (а также горение) часто приводит к образованию кислых веществ, откуда и происходит название кислород (Sauerstoff). Горение — это лишь быстрое окисление. Фоссфор, железо и вино могут быть взяты в качестве примеров веществ, которые медленно окисляются на воздухе при обычной температуре. Если такое вещество оставить в соприкосновении с определенным объемом воздуха или кислорода, оно мало-помалу поглощает кислород, что видно по уменьшению объема газа. Это медленное окисление не часто сопровождается заметным выделением тепла; выделение тепла действительно происходит, только оно не заметно для наших чувств вследствие малого повышения температуры, происходящего из-за малой скорости реакции и передачи образующегося тепла в виде лучистого тепла и т. д. Так, при окислении вина и его превращении в уксус обычным способом приготовления последнего выделяющееся тепло не может быть обнаружено, потому что оно растянуто на несколько недель, но в так называемом ускоренном процессе производства уксуса, когда большое количество вина сравнительно быстро окисляется, выделение тепла вполне очевидно.

Такие медленные процессы окисления постоянно происходят в природе под действием атмосферы. Мертвые организмы и вещества, получаемые из них — такие как тела животных, дерево, шерсть, трава и т. д. — особенно подвержены этому действию. Они гниют и разлагаются — то есть их твердое вещество превращается в газы под влиянием сырости и атмосферного кислорода и обычно под влиянием других организмов, таких как плесень, черви, микроорганизмы (бактерии) и тому подобное. Это процессы медленного горения, медленного соединения с кислородом. Общеизвестно, что навоз гниет и выделяет тепло, что стога влажного сена, влажная мука, солома и т. д. нагреваются и изменяются в процессе. [47] Во всех этих превращениях образуются те же главные продукты горения, которые содержатся в дыме; углерод дает углекислый ангидрид, а водород — воду. Отсюда эти процессы требуют кислорода точно так же, как горение. По этой причине полное предотвращение доступа воздуха препятствует этим превращениям [48], а усиленный приток воздуха ускоряет их. Механическая обработка пахотных земель плугом, бороной и другими подобными средствами имеет не только целью облегчить распространение корней в земле и сделать почву более проницаемой для воды, но она также служит для облегчения доступа воздуха к составным частям почвы; вследствие чего органические остатки почвы гниют — так сказать, дышат воздухом и выделяют углекислый ангидрид. Один акр хорошей садовой земли в течение лета выделяет более шестнадцати тонн углекислого ангидрида.

Не только растительные и животные вещества подвергаются медленному окислению в присутствии воды. Некоторые металлы даже ржавеют в этих условиях. Медь очень легко поглощает кислород в присутствии кислот. Многие металлические сульфиды (например, колчедан) очень легко окисляются при доступе воздуха и влаги. Таким образом, процессы медленного окисления протекают по всей природе. Однако имеется много элементов, которые ни при каких обстоятельствах не соединяются непосредственно с газообразным кислородом; тем не менее их соединения с кислородом могут быть получены. Платина, золото, иридий, хлор и йод служат примерами таких элементов. В этом случае прибегают к так называемому косвенному методу — то есть данное вещество соединяют с другим элементом, и методом двойного разложения этот элемент замещают кислородом. Вещества, не соединяющиеся непосредственно с кислородом, но образующие с ним соединения косвенным путем, часто легко теряют поглощенный ими кислород путем двойного разложения или в момент его выделения. Таковы, например, соединения кислорода с хлором, азотом и платиной, выделяющие кислород при нагревании — то есть они могут применяться в качестве окислителей. В этом отношении окислители, или те соединения кислорода, которые применяются в химической и технической практике для передачи кислорода другим веществам, особенно замечательны. Наиболее важной среди них является азотная кислота, или водка (aqua fortis), — вещество, богатое кислородом и способное выделять его при нагревании, которое легко окисляет большое количество веществ. Так, почти все металлы и органические вещества, содержащие углерод и водород, более или менее окисляются при нагревании с азотной кислотой. Если взять крепкую азотную кислоту и погрузить в нее кусочек горящего угля, он продолжает гореть. Хромовая кислота действует подобно азотной кислоте; спирт горит при смешении с ней. Хотя действие это не столь выражено, даже вода может окисляться своим кислородом. Натрий не окисляется в совершенно сухом кислороде при обычной температуре, но он очень легко горит в воде и водяном паре. Уголь может гореть в углекислом ангидриде — продукте горения — образуя окись углерода. Магний горит в том же газе, отделяя от него углерод. Вообще говоря, связанный кислород может переходить из одного соединения в другое.

Продукты горения или окисления — и вообще определенные соединения кислорода — называются окислами. Одни окислы не способны соединяться с другими окислами — или соединяются лишь с немногими, и то с выделением очень небольшого количества тепла; другие, напротив, вступают в соединение с очень многими другими окислами и вообще обладают замечательной химической энергией. Окислы, не способные соединяться с другими или проявляющие это качество в малой степени, называются индифферентными окислами. Таковы перекиси, о которых упоминалось ранее.

Класс окислов, способных вступать в взаимное соединение, мы назовем солеобразующими окислами. Они делятся на две главные группы — по крайней мере, в отношении наиболее крайних членов. Члены одной группы соединяются с членами другой группы с особенной легкостью. В качестве представителя одной группы могут быть взяты окислы металлов: магния, натрия, кальция и т. д. Представителями другой группы являются окислы, образованные неметаллами: серой, фосфором, углеродом. Таким образом, если мы возьмем окись кальция, или известь, и приведем ее в соприкосновение с окислами второй группы, соединение наступает весьма легко. Например, если мы смешаем окись кальция с окисью фосфора, они соединяются с большой легкостью и с выделением большого количества тепла. Если мы пропустим пар серного ангидрида, получаемого путем соединения сернистой окиси с кислородом, над кусками извести, нагретыми докрасна, серный ангидрид поглощается известью с образованием вещества, называемого сернокислым кальцием. Окислы первого рода, содержащие металлы, называются основными окислами, или основаниями. Известь служит знакомым примером этого класса. Окислы второй группы, способные соединяться с основаниями, называются ангидридами кислот, или кислотными окислами. Серный ангидрид, SO3, может быть принят за тип последней группы. Он представляет собой соединение серы с кислородом, образующееся не непосредственно, а путем присоединения нового количества кислорода к сернистому ангидриду, SO2, путем пропускания его вместе с кислородом над раскаленной губчатой платиной. Углекислый ангидрид (часто называемый «углекислотой»), CO2, фосфорный ангидрид, сернистый ангидрид — все это кислотные окислы, так как они могут соединяться с такими окислами, как известь, или окись кальция, магнезия, или окись магния, MgO, сода, или окись натрия, Na2O, и т. д.

Если данный элемент образует лишь одну основную окись, она называется окисью; например, окись кальция, окись магния, окись калия. Некоторые индифферентные окислы также называют «окислами», если они не имеют свойств перекисей и в то же время не проявляют свойств кислотных ангидридов — например, окись углерода, о которой уже упоминалось. Если элемент образует две основные окиси (или два индифферентных окисла, не обладающих характеристиками перекиси), то окись более низкой степени окисления называется закисью — то есть закиси содержат меньше кислорода, чем окиси. Так, когда медь нагревают докрасна в печи, она увеличивается в весе и поглощает кислород до тех пор, пока на 63 части меди поглощается не более 8 частей кислорода по весу, образуя красную массу, которая представляет собой закись меди; но если прокаливание затянуть и усилить тягу воздуха, 63 части меди поглощают 16 частей кислорода и образуют черную окись меди. Иногда для различения степеней окисления изменяют суффикс окисленного элемента: окончание -истая (-ая) для окиси высшей степени окисления обозначает высшую степень, а -оватая (-ая) или закись — низшую степень. Так, закись железа и окись железа суть то же самое, что закись железа и окись железа [прим.: в оригинале ferrous/ferric]. Если элемент образует только один ангидрид, то он называется по имени прилагательному, образованному от названия элемента с окончанием на -ный (-ий) и словом ангидрид. Когда элемент образует два ангидрида, то для их различения используются суффиксы -истый и -ный (-овый): -истый обозначает меньшее количество кислорода, чем -ный (-овый); например, сернистый и серный ангидриды. [49] Когда из одного и того же элемента образуется несколько окислов, используются приставки мон-, ди-, три-, тетра-, таким образом: окись хлора, двуокись хлора, трехокись хлора и четырехъокись хлора, или хлорный ангидрид.

Сами окислы редко претерпевают химические превращения, и в тех немногих случаях, когда они подвергаются таким изменениям, особенно важную роль играют их соединения с водой. Большинство, если не все, основные и кислотные окислы соединяются с водой либо прямым, либо косвенным путем, образуя гидраты — то есть соединения, которые распадаются на воду и окись того же рода. Общеизвестно, что многие вещества способны соединяться с водой. Окислы обладают этим свойством в высшей степени. Мы уже видели примеры этого (глава I) в соединении извести, а также серного и фосфорного ангидридов с водой. Получающиеся соединения представляют собой основные и кислотные гидраты. Кислотные гидраты называются кислотами, потому что они имеют кислый вкус при растворении в воде (или слюне), ибо только тогда они могут действовать на нёбо. Уксус, например, имеет кислый вкус, потому что он содержит уксусную кислоту, растворенную в воде. Серная кислота, к которой мы часто обращались, потому что она является кислотой величайшей важности как в практической химии, так и для ее технических применений, на самом деле представляет собой гидрат, образованный соединением серного ангидрида с водой. Помимо кислого вкуса, растворенные кислоты или кислотные гидраты обладают свойством изменять синий цвет определенных растительных красок на красный. Из этих красок лакмус особенно примечателен и широко используется. Это синее вещество, извлекаемое из определенных лишайников, используется для окрашивания тканей в синий цвет; оно дает синий настой с водой. Этот настой при добавлении кислоты изменяется из синего в красный. [50]

Основные окислы при соединении с водой образуют гидраты, из которых, однако, очень немногие растворимы в воде. Те из них, которые растворимы в воде, имеют щелочной вкус, подобный вкусу мыла или воды, в которой вываривалась древесная зола, и называются щелочами. Кроме того, щелочи обладают свойством восстанавливать синий цвет лакмуса, покрасневшего под действием кислот. Гидраты окислов натрия и калия, NaHO и KHO, являются примерами основных гидратов, легко растворимых в воде. Они представляют собой истинные щелочи и называются едкими, потому что очень сильно действуют на кожу животных и растений. Так, NaHO называется едким натром.

Солеобразующие окислы способны соединяться друг с другом и с водой. Сама вода является окислом, причем не индифферентным, так как она может, как мы видели, соединяться с основными и кислотными окислами; она представляет собой представитель целого ряда солеобразующих окислов, промежуточных окислов, способных соединяться как с основными, так и с кислотными окислами. Есть много таких окислов, которые, подобно воде, соединяются с основными и кислотными ангидридами — например, окислы алюминия и олова и т. д. Отсюда можно заключить, что все окислы можно было бы расположить по их способности соединяться друг с другом в один непрерывный ряд, на одном конце которого стояли бы те окислы, которые не соединяются с основаниями — то есть щелочами, в то время как на другом конце находились бы кислотные окислы, а в промежутке — те окислы, которые соединяются друг с другом и как с кислотными, так и с основными окислами. Чем дальше друг от друга стоят члены этого ряда, тем прочнее образуемые ими соединения, тем энергичнее они действуют друг на друга, тем больше количество тепла, выделяющегося при их реакции, и тем ярче выражен их солевой химический характер.

Выше было сказано, что основные и кислотные оксиды соединяются друг с другом, но редко вступают в реакцию друг с другом; это зависит от того, что большинство из них представляют собой твердые тела или газы, то есть находятся в состоянии, наименее склонном к химической реакции. Газоэластичное состояние разрушается с трудом, так как оно требует преодоления упругости, свойственной газообразным частицам. Твердое состояние характеризуется неподвижностью своих частиц, в то время как химическое действие требует контакта, а следовательно, перемещения и подвижности. Если твердые оксиды нагревать и особенно если их плавить, то реакция протекает с большой легкостью. Но такое изменение состояния редко встречается в природе или на практике. Только в некоторых металлургических процессах дело обстоит именно так. Например, в производстве стекла содержащиеся в нем оксиды соединяются друг с другом в расплавленном состоянии. Но когда оксиды соединяются с водой и особенно когда они образуют растворимые в воде гидраты, подвижность их частиц значительно возрастает, а их реакция существенно облегчается. Реакция в таком случае протекает при обычной температуре — легко и быстро; так что этот вид реакции относится к числу тех, которые происходят с необычайной легкостью и поэтому очень часто используются на практике, а также происходили и происходят в природе на каждом шагу. Теперь мы рассмотрим реакции оксидов в состоянии гидратов, не упуская из виду, что сама вода является оксидом с определенными свойствами и поэтому оказывает немалое влияние на ход тех превращений, в которых она принимает участие.

Если взять определенное количество кислоты и прибавить к ней настой лакмуса, она окрашивается в красный цвет; прибавление щелочного раствора не сразу изменяет красный цвет лакмуса, но при добавлении все большего количества щелочного раствора достигается точка, когда красный цвет изменяется на фиолетовый, а затем дальнейшее добавление новой порции щелочного раствора изменяет цвет на синий. Это изменение цвета лакмуса является следствием образования нового соединения. Эта реакция называется насыщением, или нейтрализацией, кислоты основанием или наоборот. Раствор, в котором кислотные свойства кислоты насыщены щелочными свойствами основания, называется нейтральным раствором. Такой раствор, хотя и получен из смеси основания с кислотой, не проявляет ни кислотной, ни основной реакции по отношению к лакмусу, однако сохраняет многие другие признаки кислоты и щелочи. Замечено, что при таком определенном смешении кислоты с щелочью, помимо изменений цвета лакмуса, наблюдается тепловой эффект, то есть выделение тепла, чего само по себе достаточно для доказательства того, что имело место химическое действие. И действительно, если полученый фиолетовый раствор выпарить, выделяется не исходно взятая кислота или щелочь, а вещество, не обладающее ни кислотными, ни щелочными свойствами, но обычно твердое и кристаллическое, имеющее солеобразный вид; это соль в химическом смысле этого слова. Следовательно, соль образуется в результате реакции кислоты с щелочью в определенном соотношении. Взятая здесь для растворения вода не играет никакой другой роли, кроме простого облегчения хода реакции. Это видно из того факта, что ангидриды кислот способны соединяться с основными оксидами и давать те же соли, что и кислоты со щелочами или гидратами. Следовательно, соль представляет собой соединение определенных количеств кислоты с щелочью. В последней реакции вода выделяется, если образующееся вещество такое же, как и получающееся при соединении безводных оксидов друг с другом. [51] Примеры образования солей из кислот и оснований легко наблюдаются и очень часто применяются на практике. Если взять, например, нерастворимый оксид магния (магнезию), он легко растворяется в серной кислоте и при выпаривании дает солеобразное вещество, горькое, как и все соли магния, и знакомое всем под названием английской соли, применяемой в качестве слабительного. Если раствор едкого натра, который получается, как мы видели, при действии воды на оксид натрия, налить в колбу, в которой сгорел уголь, или если углекислый ангидрид, образующийся при столь многих обстоятельствах, пропустить через раствор едкого натра, то получается карбонат натрия, или сода, Na2CO3, о которой мы говорили несколько раз и которая готовится в большом масштабе и часто используется в промышленности. Эта реакция выражается уравнением: 2NaHO + CO2 = Na2CO3 + H2O. Таким образом, различные основания и кислоты образуют бесчисленное множество разнообразных солей. [52] Соли служат примером определенных химических соединений и как в истории, так и на практике науки чаще всего приводятся в подтверждение понятия определенных химических соединений. Действительно, все признаки определенного химического соединения ясно видны в образовании и свойствах солей. Так, они образуются при определенном соотношении оксидов, при их образовании выделяется тепло, [53] а химический характер оксидов и многие физические свойства скрываются в их солях. Например, когда газообразный углекислый ангидрид соединяется с основанием с образованием твердой соли, упругость газа полностью исчезает при его переходе в соль. [54]

Судя по вышесказанному, соль представляет собой соединение основных и кислотных оксидов или результат действия гидратов этих классов друг на друга с выделением воды. Но соли могут быть получены и другими способами. Не следует забывать, что основные оксиды образуются металлами, а кислотные оксиды — обычно неметаллами. Но металлы и неметаллы способны соединяться друг с другом, и соль часто образуется при окислении такого соединения. Например, железо очень легко соединяется с серрой, образуя сульфид железа FeS (как мы видели во Введении); он на воздухе, и особенно во влажном, поглощает кислород с образованием той же соли FeSO4, которая может быть получена путем соединения оксидов железа и серы или гидратов этих оксидов. Следовательно, нельзя утверждать или предполагать, что соль обладает свойствами оксидов или обязательно должна содержать в себе два рода оксидов. Получение солей из оксидов — это лишь один из способов их приготовления. Мы видели, например, что в серной кислоте можно заместить водород цинком и что таким путем образуется сульфат цинка; точно так же водород во многих других кислотах может быть замещен цинком, железом, калием, натрием и целым рядом подобных металлов с получением соответствующих солей. Водород кислоты во всех этих случаях обменивается на металл, и из гидрата получается соль. Рассматривая соль с этой точки зрения, можно сказать, что соль представляет собой кислоту, в которой водород замещен металлом. Это определение показывает, что соль и кислота по существу являются соединениями одного и того же ряда, с той разницей, что последняя содержит водород, а первая — металл. Такое определение является более точным, чем первое определение солей, поскольку оно охватывает также те кислоты, которые не содержат кислорода, а, как мы узнаем впоследствии, существует ряд таких кислот. Такие элементы, как хлор и бром, образуют соединения с водородом, в которых водород может быть замещен металлом с образованием веществ, которые по своим реакциям и внешнему характеру напоминают соли, образующиеся из оксидов. Поваренная соль, NaCl, служит примером этого. Ее можно получить замещением водорода в соляной кислоте, HCl, металлом натрием, точно так же как сульфат натрия, Na2SO4, может быть получен замещением водорода в серной кислоте, H2SO4, натрием. Внешний вид образующихся продуктов, их нейтральная реакция и даже соленый вкус свидетельствуют об их сходстве друг с другом.

К основным свойствам солей следует добавить еще одно — а именно, что они более или менее разлагаются под действием гальванического тока. Результаты этого разложения весьма различны в зависимости от того, взята ли соль в плавленном или растворенном состоянии. Но разложение в общем может быть представлено так, что металл появляется у электроотрицательного полюса, или катода (подобно водороду при разложении воды или ее смеси с серной кислотой), а остальные части соли появляются у электроположительного полюса, или анода (где появляется кислород воды). Если, например, электрический ток действует на водный раствор сульфата натрия, то натрий появляется у отрицательного полюса, а кислород и ангидрид серной кислоты — у положительного. Но в самом растворе результат иной, ибо натрий, как мы знаем, разлагает воду с выделением водорода, образуя едкий натр; следовательно, у отрицательного полюса будет выделяться водород и появляться едкий натр, в то время как у положительного полюса серный ангидрид немедленно соединяется с водой и образует серную кислоту, и поэтому вокруг этого полюса будет выделяться кислород и образовываться серная кислота. [55] В других случаях, когда выделяющийся металл не способен разлагать воду, он осаждается в свободном виде. Так, например, при разложении сульфата меди медь выделяется на катоде, а кислород и серная кислота появляются на аноде, и если к положительному полюсу прикреплена медная пластинка, то выделяющийся кислород будет окислять медь, и оксид меди растворится и осядет на отрицательном полюсе, то есть происходит перенос меди с положительного полюса на отрицательный. На этом принципе основано гальванопластическое искусство (гальванопластика). [56] Поэтому наиболее коренные и общие свойства солей (включая также такие соли, как поваренная соль, не содержащие кислорода) могут быть выражены представлением соли как состоящей из металла М и галоида Х, то есть выражением соли через MX. В обычной поваренной солью металлом является натрий, а галоидом — простое тело, хлор. В сульфате натрия, Na2SO4, натрием снова является металл, но сложная группа, SO4, служит галоидом. В сульфате меди, CuSO4, металлом является медь, а галоид тот же, что и в предыдущей соли. Такое представление солей с большой простотой выражает способность каждой соли вступать в солевые обменные разложения с другими солями, заключающиеся во взаимном замещении металлов в солях. Этот обмен металлов составляет фундаментальное свойство солей. В случае двух солей с различными металлами и галоидами, находящихся в растворе или сплавлении или каким-либо иным образом приведенных в соприкосновение, металлы этих солей всегда частично или полностью меняются местами. Если обозначить одну соль через MX, а другую через NY, то из них получаются, частично или полностью, новые соли — MY и NX. Так мы видели во Введении, что при смешении растворов поваренной соли, NaCl, и нитрата серебра, AgNO3, образуется белый нерастворимый осадок хлорида серебра, AgCl, а в растворе получается новая соль — нитрат натрия, NaNO3. Если металлы солей меняются местами в реакциях двойного обмена, то понятно, что сами металлы, взятые в обособленном состоянии, способны действовать на соли, как цинк вытесняет водород из кислот и как железо отделяет медь от сульфата меди. Когда, в какой степени и какие металлы вытесняют друг друга и как распределяются металлы между галоидами, будет рассмотрено в главе Х., где мы будем руководствоваться теми соображениями и выводами, которые Бертолле ввел в науку в начале этого столетия.