«Основы химии, Том I»

ГЛАВА VIII УГЛЕРОД И УГЛЕВОДОРОДЫ

Необходимо четко различать два тесно связанных термина: древесный уголь и углерод. Древесный уголь хорошо знаком каждому, хотя получить его в химически чистом состоянии — задача не из легких. Чистый уголь представляет собой простое, нерастворимое, неплавкое, горючее вещество, получаемое при нагревании органических веществ, и имеет привычный вид черной массы, лишенной какой-либо кристаллической структуры и совершенно нерастворимой. Уголь — это вещество, обладающее своеобразным сочетанием физических и химических свойств. Это вещество находясь в раскаленном состоянии, непосредственно соединяется с кислородом; в органических веществах оно находится в комбинации с водородом, кислородом, азотом и серой. Но во всех этих соединениях нет настоящего угля, в том же смысле, в каком нет льда в паре. То, что обнаруживается в таких соединениях, называется «углеродом» — то есть элементом, общим для древесного угля, для тех веществ, которые могут быть образованы из него, а также для тех веществ, из которых его можно получить. Углерод может принимать форму древесного угля, но встречается также в виде алмаза и графита. Поистине ни один другой элемент не имеет столь широкой терминологии. Кислород всегда называют «кислородом», находится ли он в свободном газообразном состоянии, или в виде озона, или кислорода в воде, или в азотной кислоте, или в углекислом ангидриде. Но здесь имеется некоторая путаница. В воде, очевидно, нет кислорода в газообразной форме, такой, какую можно получить в свободном состоянии, нет кислорода в виде озона, а есть вещество, способное образовывать как кислород, так и озон, и воду. Как элемент, кислород обладает известной химической индивидуальностью и влиянием на свойства тех соединений, в которые он входит. Газообразный водород — это вещество, реагирующее с трудом, но элемент водород представляет в своих соединениях легко вытеснимую составную часть. Углерод можно рассматривать как атом углеродного вещества, а древесный уголь — как совокупность таких атомов, образующих цельное вещество или массу молекул вещества. Общепринятый атомный вес углерода равен 12, потому что это наименьшее количество углерода, входящее в комбинацию в молекулах его соединений; но вес молекул угля, вероятно, гораздо больше. Этот вес остается неизвестным, потому что уголь способен лишь к немногим прямым реакциям, да и то лишь при высокой температуре (когда вес его молекул, вероятно, изменяется, подобно тому как озон превращается в кислород), и он не переходит в пар. Углерод существует в природе как в свободном, так и в связанном состоянии в самых разнообразных формах и видах. Углерод в свободном состоянии встречается по крайней мере в трех различных формах: в виде древесного угля, графита и алмаза. В связанном состоянии он входит в состав так называемых органических веществ — множества веществ, обнаруживаемых во всех растениях и животных. Он существует в виде углекислого ангидрида как в воздухе, так и в воде, а в почве и земной коре — в виде солей угольной кислоты и в виде органических остатков.

Множество веществ, из которых построена структура растений и животных, знакомо каждому. Воск, масло, скипидар и деготь, хлопок и альбумин, растительная ткань и мышечное волокно животных, уксус и крахмал — все это растительные и животные вещества, и все они являются соединениями углерода [1]. Класс соединений углерода настолько обширен, что образует отдельную ветвь химии, известную под названием органической химии — то есть химии углеродистых соединений, или, точнее говоря, углеводородов и их производных.

Если любое из этих органических соединений сильно нагреть без свободного доступа воздуха — а еще лучше в вакууме — оно с большей или меньшей легкостью разлагается. Если приток воздуха недостаточен или температура слишком низка для горения (см. главу III) и если первые летучие продукты превращения органического вещества подвергаются конденсации (например, если открыть дверцу печи), происходит неполное горение и образуются дым, уголь или сажа [2]. Природа явления и образующиеся продукты те же самые, что и при нагревании в одиночку, так как та часть, которая находится в состоянии горения, служит для нагревания остальной части топлива. Разложение, происходящее при нагревании соединения, состоящего из углерода, водорода и кислорода, заключается в следующем: часть водорода выделяется в газообразном состоянии, другая часть — в соединении с кислородом, а третья часть выделяется в соединении с углеродом, а иногда в соединении с углеродом и кислородом в виде газообразных или летучих продуктов, или, как их еще называют, продуктов сухой перегонки. Если пары этих продуктов пропустить через сильно нагретую трубу, они снова изменяются подобным же образом и в конце концов распадаются на водород и уголь. В общем эти различные продукты разложения содержат меньшее количество углерода, чем исходное органическое вещество; часть углерода остается в свободном состоянии, образуя древесный уголь [3]. Он остается в том пространстве, где происходило разложение, в виде черного, неплавкого, нелетучего угля, знакомого всем. Землистые вещества и все нелетучие вещества (зола), входящие в состав органического вещества, остаются вместе с углем. Смолистые вещества, требующие для своего разложения высокой температуры, также остаются смешанными с углем. Если взять летучее органическое вещество, например газообразное соединение, содержащее кислород и водород, то при пропускании пара через трубу, нагретую до высокой температуры, углерод выделяется. Органические вещества при горении с недостаточным доступом воздуха выделяют сажу — то есть уголь, происходящий из углеродных соединений в состоянии пара, водород которых в результате горения превратился в воду; так, например, скипидар, нафталин и другие углеводороды, с трудом разлагаемые жаром, легко выделяют углерод в виде сажи при горении. Хлор и другие вещества, которые, подобно кислороду, способны захватывать водород, а также вещества, способные поглощать воду, могут также отделять углерод от большинства органических веществ (или обугливать их).

Древесный уголь в больших количествах приготавливается сходным образом — то есть путем частичного сжигания дерева [4]. В природе аналогичный процесс обугливания растительных остатков происходит при их превращении под водой, о чем свидетельствует болотная растительность, образующая торф [5]. Таким образом, несомненно, образовались те огромные массы каменного угля [6], которые, следуя примеру, поданному Англией, в настоящее время повсеместно используются в качестве основного материала для топки паровых котлов и вообще для всех целей отопления и горения [7]. Россия обладает весьма богатыми каменноугольными бассейнами, среди которых Донецкий район заслуживает наибольшего внимания [8].

При неполном горении летучих веществ, содержащих углерод и водород, водород и часть углерода сначала сгорают, а остальная часть углерода образует сажу. Смола, вар и подобные вещества по этой причине горят коптящим пламенем. Таким образом, сажа представляет собой тонко измельченный древесный уголь, выделяющийся при неполном горении паров и газов углеродистых веществ, богатых углеродом. Специально приготовленная сажа (сажа газовая или ламповая) очень широко используется как черная краска, и большое ее количество идет на изготовление типографской краски. Она приготовляется путем сжигания смолы, масел, природного газа, нефти и т. д. Количество органического вещества, остающегося в угле разложившимся не полностью, зависит от температуры, которой он подвергался. Уголь, приготовленный при самой низкой температуре, все еще содержит значительное количество водорода и кислорода — даже до 4% водорода и 20% кислорода. Такой уголь еще сохраняет структуру вещества, из которого он был получен. Обычный древесный уголь, например, в котором еще видима структура дерева, относится к этому роду. Подвергая его дальнейшему нагреванию, можно выделить новое количество водорода с углеродом и кислородом (в виде газов или летучих веществ), а чистейший уголь получается при подвергании его наибольшему жару [9]. Если требуется приготовить чистый уголь из сажи, ее необходимо сначала промыть спиртом и эфиром для удаления растворимых смолистых продуктов, а затем подвергнуть сильному нагреванию для отгонки примесей, содержащих водород и кислород. Однако уголь при полном очищении не изменяет своего внешнего вида. Его пористость [10], плохая теплопроводность, способность поглощать световые лучи (отсюда его чернота и непрозрачность) и многие другие качества хорошо знакомы из повседневного опыта [11]. Удельный вес древесного угля колеблется от 1,4 до 1,9, и то, что он плавает на воде, объясняется воздухом, содержащимся в его порах. Если уголь растереть в порошок и смочить спиртом, он немедленно тонет в воде. Он неплавок в печи и даже при температуре кислородно-водородного пламени. В жару, развиваемом с помощью мощного гальванического тока, уголь лишь размягчается, но не плавится полностью, и при остывании обнаруживается, что он претерпел полное изменение как по свойствам, так и по внешнему виду, и более или менее превратился в графит. Физическая устойчивость угля несомненно связана с его химической устойчивостью. Он очевидно представляет собой вещество, лишенное энергии, так как нерастворим во всех известных жидкостях и при обычной температуре ни с чем не соединяется; это неактивное вещество, подобное азоту [12]. Но эти свойства угля изменяются с повышением температуры; так, в отличие от азота, уголь при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом. Это хорошо известно, так как уголь горит на воздухе. Действительно, не только кислород соединяется с углеродом при калении, но серные пары, водород, кремний, а также железо и некоторые другие металлы [12 bis] делают это при очень высокой температуре — то есть тогда, когда молекулы угля достигают состояния большой неустойчивости, — в то время как при обычных температурах ни кислород, ни сера, ни металлы никоим образом не действуют на уголь. Сгорая в кислороде, уголь образует углекислый ангидрат, CO2, в парах же серы образуется сероуглерод, CS2, а ковкое железо под действием углерода превращается в чугун. При сильнейшем жаре, получаемом при пропускании гальванического тока через углеродные электроды, уголь соединяется с водородом, образуя ацетилен, C2H2. Уголь не соединяется напрямую с азотом, но в присутствии металлов и щелочных окислов азот поглощается с образованием металлического цианида, как, например, цианистого калия, KCN. Из этих немногих прямых комбинаций, в которые способен вступать уголь, могут быть выведены те многочисленные углеродистые соединения, которые входят в состав растений и животных и могут быть таким образом получены искусственно. Некоторые вещества, содержащие кислород, отдают часть его углю при относительно низкой температуре. Например, азотная кислота при кипячении с углем дает углекислый ангидрид и закись азота. Серная кислота при нагревании с углеродом восстанавливается до сернистого ангидрида. При нагревании докрасна уголь поглощает кислород из очень многих окислов. Даже такие окислы, как окислы натрия и калия, при нагревании докрасна отдают свой кислород углю, хотя они не расстаются с ним по отношению к водороду. Лишь немногие окислы, подобно кремнезему (окислу кремния) и извести (окислу кальция), противостоят восстанавливающему действию угля. Уголь способен изменять свое физическое состояние, не претерпевая никакого изменения в своих существенных химических свойствах — то есть он переходит в изомерные или аллотропные формы. Две другие особые формы, в которых выступает углерод, — это алмаз и графит. Тождественность состава их с углем доказывается сжиганием равного количества всех трех по отдельности в кислороде (при очень высокой температуре), причем каждый дает одинаковое количество углекислого ангидрида — именно 12 частей угля, алмаза или графита в чистом состоянии выделяют при сгорании 44 весовые части углекислого ангидрида. Физические свойства представляют собой резкий контраст; самые плотные сорта угля имеют плотность всего 1,9, в то время как плотность графита составляет около 2,3, а алмаза — 3,5. Весьма многие другие свойства зависят от плотности, например горючесть. Чем легче уголь, тем легче он горит; графит горит с большим трудом даже в кислороде, а алмаз горит только в кислороде и при очень высокой температуре. При горении уголь, алмаз и графит выделяют различное количество тепла. Одна весовая часть древесного угля, превращенная сгоранием в углекислый ангидрид, выделяет 8080 тепловых единиц; плотный уголь, выделенный в газовых ретортах, выделяет 8050 тепловых единиц; природный графит — 7800 тепловых единиц, а алмаз — 7770. Чем больше плотность, тем меньше тепла выделяется при сгорании углерода [13].

С помощью интенсивного нагревания уголь может быть превращен в графит. Если угольный стержень диаметром 4 мм и длиной 5 мм заключить в откачанный приемник и пропустить через него ток от 600 элементов Бунзена, соединенных параллельными сериями по 100, уголь становится сильно раскаленным, частично улетучивается и осаждается в виде графита. Если поместить сахар в угольный тигель и пропустить через него мощный гальванический ток, он спекается в массу, подобную графиту. Если смешать уголь с ковким железом и нагреть, образуется чугун, содержащий до пяти процентов угля. Если расплавленный чугун внезапно охладить, углерод остается в соединении с железом, образуя так называемый белый чугун; но если охлаждение происходит медленно, большая часть углерода выделяется в виде графита, и если такой чугун (так называемый серый чугун) растворить в кислоте, углерод остается в виде графита. Графит встречается в природе то в виде крупных плотных масс, то пропитывая скальные образования, такие как сланцы, и вообще встречается в тех местах, которые, по всей вероятности, подвергались действию подземного тепла [14]. Графит в чугуне, а иногда также и природный графит порой появляются в кристаллической форме в виде шестиугольных пластинок, но чаще он встречается в виде компактной аморфной массы, обладающей характерными свойствами привычного чернографитного карандаша [15].

Алмаз представляет собой кристаллическую и прозрачную форму углерода. Он редко встречается в природе и находится в аллювиальных отложениях алмазных россыпей Бразилии, Индии, Южной Африки и др. Он также был найден в метеоритах [15 bis]. Он кристаллизуется в октаэдрах, додекаэдрах, кубах и других формах правильной системы [16]. Усилия, которые предпринимались для получения алмазов искусственным путем, хотя и не были бесплодными, пока еще не привели к получению кристаллов крупного размера, потому что те средства, с помощью которых обычно образуются кристаллы, неприменимы к углероду. Действительно, углерод во всех своих формах, будучи нерастворимым и неплавким, не переходит в жидкое состояние, посредством которого могла бы происходить кристаллизация. Алмазы несколько раз с успехом получались в виде крошечных кристаллов, имеющих вид черного порошка, но при рассмотрении под микроскопом оказывающихся прозрачными и обладающих той твердостью, которая является отличительным свойством алмаза. Этот алмазный порошок осаждается на отрицательном электроде, когда через жидкий хлористый углерод пропускается слабый гальванический ток [16 bis].

Муассан (Париж, 1893) получал алмазы искусственным путем с помощью высокой температуры, достигаемой в электрической печи [17], растворяя углерод в расплавленном чугуне и давая раствору с избытком углерода остывать под мощным давлением, создаваемым быстрой корой остывающего металла [17 bis]. К. Хрущов достиг той же цели с помощью серебра, которое при высокой температуре растворяет углерод в количестве до 6%. Руссо с той же целью нагревал карбид кальция в электрической печи. Нет сомнения, что все эти исследователи получили алмаз как прозрачное тело, которое сгорало в CO2 и обладало исключительной твердостью, но лишь в виде тонкого порошка.

Судя по тому факту, что углерод образует ряд газообразных тел (окись углерода, углекислый ангидрид, метан, этилен, ацетилен и др.) и летучих веществ (например, многие углеводороды и их простейшие производные), и учитывая, что атомный вес углерода C = 12 близок к таковому для азота N = 14 и кислорода O = 16, а соединения CO (окись углерода) и N2C2 (циан) являются газами, можно утверждать, что если бы углерод образовывал молекулу C2, подобно N2 и O2, он был бы газом. И так как вследствие полимеризма или соединения подобных молекул (как O2 переходит в O3 или NO2 в N2O4) температуры кипения и плавления повышаются (что особенно наглядно доказывается на углеводородах ряда CnH2n), следует считать, что молекулы угля, графита и алмаза очень сложны, поскольку они нерастворимы, нелетучи и неплавки. Способность, которую атомы углерода проявляют к соединению друг с другом и образованию сложных молекул, проявляется во всех углеродных соединениях. Среди летучих соединений углерода хорошо известны многие, молекулы которых содержат C5... C10... C20... C30 и т. д., в общем Cn, где n может быть очень большим, и ни у одного из других элементов эта способность к усложнению не развита в такой степени, как у углерода [18]. До настоящего времени нет оснований для определения степени полимеризма молекул угля, графита или алмаза, и можно лишь предполагать, что они содержат Cn, где n — большая величина. Уголь и те сложные нелетучие органические вещества, которые представляют собой постепенные переходы к углю [19] и образуют главные твердые вещества организмов, содержат запас или накопление внутренней энергии в виде энергии, связывающей атомы в сложные молекулы. Когда уголь или сложные соединения углерода горят, энергия углерода и кислорода превращается в тепло, и этот факт на каждом шагу используется для получения тепла из топлива [20].

Никакие другие два элемента не способны соединяться друг с другом в таком разнообразии, как углерод и водород. Углеводороды ряда CnH2m во многих случаях сильно отличаются друг от друга, хотя они имеют и некоторые общие свойства. Все углеводороды, будь то газообразные, жидкие или твердые, представляют собой горючие вещества, мало растворимые или нерастворимые в воде. Сжиженные газообразные углеводороды, а также те, которые являются жидкими при обычных температурах, и те твердые углеводороды, которые были сжижены плавлением, имеют вид и свойство маслянистых жидкостей, более или менее вязких или текучих [21]. Твердые углеводороды более или менее напоминают воск по своим свойствам, хотя обычные масла и воск обычно содержат кислород в дополнение к углероду и водороду, но в относительно небольшой пропорции. Есть также много углеводородов, имеющих вид дегтя — как, например, метациннамен и гуттаперча. Те жидкие углеводороды, которые кипят при высокой температуре, подобны маслам, а те, которые имеют низкую точку кипения, напоминают эфир, тогда как газообразные углеводороды во многих своих свойствах сродни водороду. Все это склоняет к тому, что в углеводородах, рассматриваемых с физической стороны, свойства твердого нелетучего угля сильно видоизменены и скрыты, в то время как свойства водорода преобладают. Все углеводороды представляют собой нейтральные вещества (ни основные, ни кислые), но при определенных условиях они вступают в своеобразные реакции. Как было видно на тех соединениях водорода, которые уже рассматривались (вода, азотная кислота, аммиак), водород почти во всех случаях вступает в реакцию, вытесняясь металлами. О водороде углеводородов можно сказать, что он не имеет металлического характера, то есть он не вытесняется непосредственно [22] металлами, даже такими, как натрий и калий. При применении большего или меньшего жара все углеводороды разлагаются [23], образуя уголь и водород. Большинство углеводородов не соединяется с кислородом воздуха и не окисляется при обычных температурах, но под действием азотной кислоты и многих других окисляющих веществ большинство из них подвергается окислению, при котором либо выделяется часть водорода и углерода, либо в соединение вступает кислород, либо же элементы перекиси водорода входят в соединение с углеводородом [24]. При нагревании на воздухе углеводороды горят, и в зависимости от количества содержащегося в них углерода их горение сопровождается в большей или меньшей степени выделением сажи — то есть тонко измельченного угля, который придает пламени большую яркость, и по этой причине многие из них используются для целей освещения — как, например, керосин, светильный газ, скипидар. Поскольку углеводороды содержат восстанавливающие элементы (то есть такие, которые способны соединяться с кислородом), они часто действуют как восстановители — например, при нагревании с окисью меди они горят, образуя углекислый ангидрид и воду, и оставляют металлический кóппер. Жерар доказал, что все углеводороды содержат четное число атомов водорода. Поэтому общая формула для всех углеводородов есть CnH2m, где n и m — целые числа. Этот факт известен как закон четных чисел. Отсюда простейшие возможные углеводороды должны были бы быть: CH2, CH4, CH6... C2H2, C2H4, C2H6, C2H8... но существуют далеко не все из них, так как количество H, способное соединиться с определенным количеством углерода, ограничено, как мы узнаем непосредственно.

Некоторые из углеводородов способны к соединению, тогда как другие не проявляют этой способности. Те из них, которые содержат меньше водорода, принадлежат к первой категории, а те, которые для данного количества углерода содержат максимальное количество водорода, — ко второй. Состав последних выражается общей формулой CnH2n+2. Эти так называемые насыщенные углеводороды не способны к соединению [25]. Углеводороды CH6, C2H8, C3H10 и т. д. не существуют. Те, которые содержат максимальное количество водорода, будут представлены веществами CH4 (n = 1, 2n + 2 = 4), C2H6 (n = 2), C3H8 (n = 3), C4H10 и т. д. Это можно назвать законом пределов. Сопоставляя это с законом четных чисел, легко заметить, что возможные углеводороды могут быть расположены в ряды, члены которых могут быть выражены общими формулами CnH2n+2, CnH2n, CnH2n-2 и т. д. Те углеводороды, которые принадлежат к какому-либо из рядов, выражаемых общей формулой, называются гомологичными друг другу. Так, углеводороды CH4, C2H6, C3H8, C4H10 и т. д. являются членами предельного (насыщенного) гомологичного ряда CnH2n+2. То есть разница между членами ряда составляет CH2 [26]. Не только состав, но и свойства членов ряда стремятся к классификации в одну группу. Например, члены ряда CnH2n+2 не способны образовывать продукты присоединения, в то время как члены ряда CnH2n способны соединяться с хлором, серным ангидридом и т. д.; а члены группы CnH2n-6, принадлежащие к ряду каменноугольной смолы, легко нитруются (дают нитросоединения, глава VI) и имеют другие общие свойства. Физические свойства членов данного гомологичного ряда изменяются примерно следующим образом: температура кипения обычно повышается, а внутреннее трение увеличивается по мере роста n [27] — то есть с увеличением относительного количества углерода и атомного веса; удельный вес также закономерно изменяется по мере возрастания n [28].

Многие из углеводородов, встречающихся в природе, являются продуктами организмов и не принадлежат к минеральному царству. Еще большее число их производится искусственно. Они образуются посредством так называемого соединения остатков. Например, если смесь паров сероводорода и сероуглерода пропустить через трубку, в которой нагревается медь, последняя поглощает серу из обоих соединений, а освободившиеся углерод и водород соединяются с образованием углеводорода — метана. Если соединить углерод с каким-либо металлом и обработать это соединение MCn кислотой HX, то галоид X даст соль с металлом, а оставшиеся углерод и водород дадут углеводород. Так, чугун, содержащий соединение железа и углерода, под действием кислот дает жидкие углеводороды, подобные нефти. Если смесь бромбензола C6H5Br и бромистого этила C2H5Br нагреть с металлическим натрием, натрий соединяется с бромом обоих соединений, образуя бромистый натрий, NaBr. От первого соединения остается группа C6H5, а от второго — C2H5. Имея нечетное число атомов водорода, они в силу закона четных чисел не могут существовать в одиночку и потому соединяются друг с другом, образуя соединение C6H5.C2H5 или C8H10 (этилбензол). Углеводороды образуются также при расщеплении более сложных органических или углеводородных соединений, особенно при нагревании — то есть при сухой перегонке. Например, бензойная смола содержит кислоту, называемую бензойной кислотой, C7H6O2, пары которой при пропускании через нагретую трубку распадаются на углекислый ангидрид, CO2, и бензол, C6H6. Углерод и водород соединяются напрямую только в одном отношении соединения — а именно с образованием ацетилена состава C2H2, который по сравнению с другими углеводородами обнаруживает очень большую устойчивость при несколько повышенной температуре [29].

Среди насыщенных углеводородов известно одно вещество, состоящее из 1 атома углерода и 4 атомов водорода; это соединение, содержащее наибольший процент водорода (CH4 содержит 25 процентов водорода), и в то же время это единственный углеводород, молекула которого содержит лишь один атом углерода. Этот насыщенный углеводород, CH4, называется болотным газом, или метаном. Если растительные или животные остатки подвергаются разложению в пространстве, куда воздух не имеет свободного доступа или не имеет доступа вовсе, то разложение сопровождается образованием болотного газа, причем это происходит либо при обычной температуре, либо при сравнительно гораздо более высокой. По этой причине растения, разлагаясь под водой в болотах, выделяют этот газ [29 bis]. Общеизвестно, что если илистые отложения в болотах взрыхлить, это действие сопровождается выделением большого количества пузырьков газа; они могут выделяться и сами по себе, хотя и медленно. Выделяющийся газ состоит главным образом из болотного газа [30]. Если дерево, каменный уголь или многие другие растительные или животные вещества разлагаются под действием тепла без доступа воздуха — то есть подвергаются сухой перегонке, — они помимо многих других газообразных продуктов разложения (углекислого ангидрида, водорода и различных других веществ) выделяют много метана. Обычно газ, используемый для целей освещения, получается именно этим путем и поэтому всегда содержит болотный газ, смешанный с сухим водородом и другими парами и газами, хотя впоследствии он очищается от многих из них [31]. Поскольку разложение органического вещества, образующего каменный уголь, продолжается под землей, в угольных шахтах часто происходит выделение больших количеств болотного газа [32]. Смешиваясь с воздухом, он образует взрывчатую смесь, которая представляет собой одну из величайших опасностей угледобычи, так как подземные работы всегда приходится вести при ламповом освещении. Эта опасность однако преодолевается использованием безопасной лампы Хамфри Дэви [33]. Сир Хамфри Дэви заметил, что при введении куска проволочной сетки в пламя она поглощает столько тепла, что горение за ее пределы не распространяется (несожженные газы, которые проходят через нее, могут быть воспламенены с другой стороны). В соответствии с этим пламя лампы Дэви окружено толстым стеклом (как показано на чертеже) и не имеет абсолютно никакого сообщения со взрывчатой смесью, кроме как через проволочную сетку, которая препятствует воспламенению ею смеси болотного газа, выделяющегося из угля, с воздухом. В некоторых районах, особенно там, где встречается нефть — как, например, около Баку, где был построен храм индийских огнепоклонников, а также в Пенсильвании и других местах, — болотный газ в изобилии выделяется из земли, и его используют подобно светильному газу для целей освещения и обогрева [34]. Довольно чистый болотный газ [35] может быть получен путем нагревания смеси ацетата со щелочью. Уксусная кислота, C2H4O2, при нагревании разлагается на болотный газ и углекислый ангидрид: C2H4O2 = CH4 + CO2.

Щелочь — например, NaHO — дает с уксусной кислотой соль, C2H3NaO2, которая при разложении удерживает углекислый ангидрид, образуя карбонат, Na2CO3, при этом выделяется болотный газ:

C2H3NaO2 + NaHO = Na2CO3 + CH4

Болотный газ трудно сжижается; он почти нерастворим в воде и не имеет ни вкуса, ни запаха. Самый важный момент в отношении его химических реакций заключается в том, что он ни с чем не соединяется напрямую, в то время как другие углеводороды, содержащие меньше водорода, чем выражено формулой CnH2n+2, способны соединяться с водородом, хлором, некоторыми кислотами и т. д.

Если закон замещения дает очень простое объяснение образования перекиси водорода как соединения, содержащего два водных остатка (OH)(OH), то на основании этого закона все углеводороды должны происходить из метана CH4 как простейшего углеводорода. [36] Увеличение сложности молекулы метана обусловлено способностью атомов углерода к взаимному соединению, и в результате детального изучения этого вопроса многое из того, что можно было предвидеть и предположить на основе закона замещения, действительно осуществилось так, как и предсказывалось; и хотя этот предмет в силу своего объема, как уже отмечалось, относится к области органической химии, о нем здесь упоминается с тем, чтобы показать, хотя бы отчасти, наилучшим образом исследованный пример применения закона замещения. Согласно этому закону, молекула метана CH4 способна претерпевать замещение четырьмя следующими способами: (1) метильное замещение, когда радикал, эквивалентный водороду, называемый метилом CH3, замещает водород. В CH4 этот радикал соединен с H и поэтому может замещать его, подобно тому как (OH) замещает H, поскольку он образует с ним воду; (2) метиленовое замещение, или обмен между H2 и CH2 (этот радикал называется метиленом), основано на аналогичном делении молекулы CH4 на две эквивалентные части, H2 и CH2; (3) ацетиленовое замещение, или обмен между CH с одной стороны и H3 с другой; и (4) углеродное замещение — то есть замещение H4 атомом углерода C, которое основано на законе замещения точно так же, как и метильное замещение. Эти четыре случая замещения позволяют понять основные соотношения углеводородов. Например, закон четных чисел проявляется в том, что во всех упомянутых случаях замещения атомы водорода увеличиваются или уменьшаются на четное число; но поскольку в CH4 их число также четно, отсюда следует, что сколько бы замещений ни производилось, всегда будет получаться четное число атомов водорода. При замене H на CH3 происходит увеличение на CH2; при замене H2 на CH2 увеличения водорода не происходит; при ацетиленовом замещении CH заменяет H3, поэтому происходит увеличение C и уменьшение H2; при углеродном замещении происходит уменьшение H4. Аналогичным образом закон пределов может быть выведен как следствие закона замещения. Ибо наибольшее возможное количество водорода вводится при метильном замещении, поскольку оно ведет к прибавлению CH2; начиная с CH4, мы получаем C2H6, C3H8 и в общем виде CnH2n+2, и они содержат наибольшее возможное количество водорода. Ненасыщенные углеводороды, содержащие меньше водорода, очевидно, образуются только тогда, когда увеличение новой молекулы, происходящей из метана, проистекает из одной из других форм замещения. Когда в метане CH4 происходит исключительно метильное замещение, очевидно, что образующимся насыщенным углеводородом является C2H6, или (CH3)(CH3). [37] Он называется этаном. Посредством одного лишь метиленового замещения из CH4 может быть непосредственно получен этилен C2H4, или (CH2)(CH2), а посредством ацетиленового замещения — C2H2, или (CH)(CH), то есть ацетилен; оба последних являются ненасыщенными углеводородами. Таким образом, мы имеем все возможные углеводороды с двумя атомами углерода в молекуле: C2H6 (этан), C2H4 (этилен) и C2H2 (ацетилен). Но в них, согласно закону замещения, могут повторяться те же формы замещения — то есть метильное, метиленовое, ацетиленовое и даже углеродное замещения (поскольку C2H6 все еще будет содержать водород, когда C заменяет H4), и поэтому дальнейшие замещения послужат источником для получения новой серии насыщенных и ненасыщенных углеводородов, содержащих все больше и больше углерода в молекуле и, в случае ацетиленового и углеродного замещений, содержащих все меньше и меньше водорода. Таким образом, с помощью закона замещения мы можем предвидеть не только предел CnH2n+2, но и неограниченное число ненасыщенных углеводородов CnH2n, CnH2n-2... Cn1H2(n-m), где m изменяется от 0 до n-1, [38] и где n неопределенно возрастает. Из этих фактов становится понятным не только существование множества полимерных углеводородов, различающихся по молекулярному весу, но также обнаруживается возможность случаев изомерии при том же молекулярном весе. Этот полимеризм, столь обычный для углеродных соединений, уже очевиден в первом ненасыщенном ряду CnH2n, поскольку все члены этого ряда — C2H4, C3H6, C4H8... C30H60... — имеют один и тот же состав CH2, но различные молекулярные веса, как уже было объяснено в главе VII. Различия в плотности паров, температурах кипения и плавления вступающих в реакции количеств, [39] а также способы получения [40] столь отчетливо согласуются с представлением о полимеризме, что этот пример всегда останется наиболее ясным и убедительным для иллюстрации полимеризма и молекулярного веса. Такой случай встречается и среди других углеводородов. Так, бензол C6H6 и цинламен C8H8 соответствуют составу ацетилена или соединению состава CH. [41] Первый кипит при 81°, второй — при 144°; удельный вес первого равен 0,899, второго — 0,925 при 0° — то есть и здесь температура кипения повышается с увеличением молекулярного веса, как и следует ожидать в отношении плотности.

Случаи изомерии в узком смысле слова — то есть когда при идентичности состава и молекулярного веса свойства веществ различны — весьма многочисчны среди углеводородов и их производных. Такие случаи особенно важны для понимания молекулярного строения, и они также, подобно полимерам, могут быть предсказаны на основе вышеупомянутых концепций, выражающих принципы строения углеродных соединений [42] на основе закона замещения. Согласно им, например, очевидно, что не может быть изомерии в случае насыщенных углеводородов C2H6 и C3H8, поскольку первый представляет собой CH4, в котором метил занял место H, и так как все атомы водорода метана должны предполагаться находящимися в одинаковом отношении к углероду, безразлично, какой из них подвергнуть метильному замещению: образующимся продуктом может быть только этан CH3CH3; [43] то же рассуждение применимо и к пропану CH3CH2CH3, для которого можно вообразить только одно соединение. Следует, однако, ожидать существования двух бутанов C4H10, что и наблюдается на деле. В одном из них метил можно рассматривать как замещающий водород одного из метилов: CH3CH2CH2CH3; а в другом CH3 можно рассматривать как замещенный на H в CH3, и тогда он будет состоять из CH3CH(CH3)2. Последний можно также рассматривать как метан, в котором три атома водорода обменены на три метила. Продвигаясь далее по ряду, очевидно, что число возможных изомеров будет еще больше, но мы ограничимся простейшими примерами, показывающими возможность и реальное существование изомеров. C2H4 и CH2CH2, очевидно, идентичны; но должны существовать и существуют два углеводорода состава C3H6: пропилен и триметилен; первый представляет собой этилен CH2CH2, в котором один атом водорода обменен на метил: CH2CHCH3, а триметилен представляет собой этан CH3CH3 с замещением метилена на два атома водорода от двух метильных групп — то есть CH2CH2CH2, [44] где введенный метилен соединен с обоими атомами углерода в CH3CH3. Очевидно, что причиной изомерии здесь служат, с одной стороны, различие в количестве водорода, соединенного с определенными атомами углерода, а с другой — различная связь между отдельными атомами углерода. В первом случае можно сказать, что они соединены в цепь (чаще — образуют «открытую цепь»), а во втором случае — что они сомкнуты (образуют «замкнутую цепь», или «кольцо»). Здесь также легко понять, что при увеличении количества атомов углерода число возможных и существующих изомеров будет значительно возрастать. Если в то же время, в дополнение к замещению одного из радикалов метана на водород, происходит дальнейший обмен части водорода на какие-либо другие группы элементов X, Y..., количество возможных изомеров возрастает в еще большей степени. Например, для производных этана C2H6 существует даже два возможных изомера: если два атома водорода будут обменены на X2, один из них будет иметь этиленовую структуру CH2XCH2X, а другой — этилиденовую структуру CH3CHX2; таковы, например, этиленхлорид CH2ClCH2Cl и этилиденхлорид CH3CHCl2. И так как вместо первого атома водорода могут быть замещены не только металлы, но и Cl, Br, I, OH (водный радикал), NH2 (аммиачный радикал), NO2 (радикал азотной кислоты) и т. д., то взамен двух атомов водорода могут быть замещены O, NH, S и т. д.; отсюда понятно, что количество изомеров порой весьма велико. Здесь невозможно описывать, как изомеры отличаются друг в друге, в каких реакциях они участвуют, как и когда одно превращается в другое и т. д.; ибо это, в совокупности с описанием уже известных углеводородов и их производных, составляет весьма обширную и досконально исследованную ветвь химии, называемую органической химией. Обогащенная массой тщательно наблюдаемых явлений и строго выведенных обобщений, эта ветвь химии рассматривается отдельно по той причине, что в ней углеродные группы подвергаются превращениям, которые не встречаются в таком количестве при работе с любыми другими элементами или их водородными соединениями. Для нас было важно показать, что, несмотря на все многообразие углеводородов и их продуктов, [45] всеми ими управляет закон замещения, и, отсылая наших читателей за подробной информацией к трудам по органической химии, мы ограничимся кратким изложением свойств двух простейших ненасыщенных углеводородов: этилена CH2CH2 и ацетилена CHCH, а также кратким знакомством с нефтью как природным источником массы углеводородов. Этилен, или маслянистый газ, [46] C2H4 является низшим известным членом ряда ненасыщенных углеводородов состава CnH2n. Поскольку по составу он равен двум молекулам болотного газа, лишенным двух молекул водорода, очевидно, что он мог бы быть и действительно может быть получен, хотя и в небольших количествах, вместе с водородом при нагревании болотного газа. Однако при нагревании маслянистый газ распадается сначала на ацетилен и метан (3C2H4 = 2C2H2 + 2CH4, Льюис, 1894), а при более высокой температуре — на углерод и водород; и поэтому в тех случаях, когда болотный газ образуется при нагревании, маслянистый газ, водород и углерод также будут образовываться, хотя и в небольших количествах. Чем ниже температура, при которой нагреваются сложные органические вещества, тем большее количество маслянистого газа обнаруживается в выделяющихся газах; при температуре белого каления он полностью разлагается на углерод и болотный газ. Если каменный уголь, дерево и, в особенности, нефть, смолы и жировые вещества подвергнуть сухой перегонке, они выделяют светильный газ, который содержит большее или меньшее количество маслянистого газа.

Маслянистый газ, почти свободный от других газов, [47] может быть получен из обыкновенного спирта (по возможности свободного от воды), если смешать его с пятью частями крепкой серной кислоты и нагреть смесь чуть выше 100°. В этих условиях серная кислота отнимает от спирта элементы воды C2H5(OH) и дает маслянистый газ: C2H6O = H2O + C2H4. Больший молекулярный вес маслянистого газа по сравнению с болотным газом указывает на то, что он может быть сравнительно легко превращен в жидкость посредством давления или сильного холода; это может быть осуществлено, например, путем испарения жидкой закиси азота. Его абсолютная точка кипения составляет +10°, кипит он при -103° (при 1 атмосфере), сжижается при 0° под давлением 43 атмосфер и затвердевает при -160°. Этилен бесцветен, имеет слабый эфирный запах, мало растворим в воде и несколько более растворим в спирте и в эфире (в пяти объемах спирта и шести объемах эфира). [48]

Подобно другим ненасыщенным углеводородам, маслянистый газ легко вступает в соединение с определенными веществами, такими как хлор, бром, йод, дымящая серная кислота, серный ангидрид и т. д. Если маслянистый газ запаять с небольшим количеством серной кислоты в стеклянном сосуде и постоянно взбалтывать (например, закрепив его на движущейся части машины), то длительное соприкосновение и многократное перемешивание приводят к тому, что маслянистый газ мало-помалу соединяется с серной кислотой, образуя C2H4H2SO4. Если после этого поглощения серную кислоту разбавить водой и подвергнуть перегонке, выделяется спирт, который образуется в данном случае путем соединения маслянистого газа с элементами воды: C2H4 + H2O = C2H6O. В этой реакции (Бертло) мы видим прекрасный пример того, что если данное вещество, подобно маслянистому газу, получается при разложении другого вещества, то обратным путем это вещество, вступая в соединение, способно образовать исходное вещество — в нашем примере спирт. В соединении с различными молекулами X2 этилен дает насыщенные соединения C2H4X2 или CH2XCH2X (например, C2H4Cl2), которые соответствуют этану CH3CH3 или C2H6. [49]

Ацетилен C2H2 = CHCH представляет собой газ; он был впервые получен Бертло (1857 г.). Он обладает весьма резким запахом, характеризуется большой устойчивостью при действии тепла и получается как единственный продукт прямого соединения углерода с водородом, когда между углеродными электродами образуется светящаяся дуга (вольтова). Эта дуга содержит частицы углерода, переходящие с одного полюса на другой. Если окружить углероды атмосферой водорода, углерод частично соединяется с водородом, образуя C2H2. [49 bis] Ацетилен может образоваться из маслянистого газа, если отнять от него два атома водорода. Этого можно достичь следующим образом: маслянистый газ заставляют сначала соединиться с бромом, получая C2H4Br2; из него удаляют бромистый водород с помощью спиртового раствора едкого кали, оставляя летучий продукт C2H3Br; и из него отнимают еще одну часть бромистого водорода путем пропускания его через безводный спирт, в котором растворен металлический натрий, либо путем нагревания его с крепким спиртовым раствором едкого кали. При этих условиях (Бертло, Савич, Мясников) щелочь отнимает бромистый водород от CnH2n-1Br, образуя CnH2n-2.

Ацетилен образуется также во всех тех случаях, когда органические вещества разлагаются под действием высокой температуры — например, при сухой перегонке. Вследствие этого некоторое его количество всегда обнаруживается в светильном газе и сообщает ему, по крайней мере отчасти, его своеобразный запах, однако количество ацетилена в светильном газе очень велико... [примечание: мало]. Если пропускать пары спирта через нагретую трубу, образуется определенное количество ацетилена. Он также образуется при неполном сгорании маслянистого и болотного газов — например, если пламя светильного газа не имеет свободного доступа воздуха. [50] Внутренняя часть каждого пламени содержит газы неполного сгорания, и в них содержится некоторое количество ацетилена.

Ацетилен, находясь дальше от предела углеродных соединений CnH2n+2, чем этилен, обладает еще большей способностью к соединению, чем та, которую проявляет маслянистый газ, и поэтому может быть легче выделен из любой смеси, содержащей его. Действительно, ацетилен соединяется не только с одной и двумя молекулами I2, HI, H2SO4, Cl2, Br2 и т. д. (с ними соединяются и многие другие ненасыщенные углеводороды), но также с закисью хлора [51] [хлористой медью], CuCl, образуя красный осадок. Если пропускать газовую смесь, содержащую ацетилен, через аммиачный раствор хлористой меди (или нитрата серебра), остальные газы не вступают в соединение, а ацетилен дает красный осадок (или серый с серебром), который взрывается при ударе молотком. Этот красный осадок выделяет ацетилен под действием кислородных [52] кислот. Таким способом можно получить чистый ацетилен. Ацетилен и его гомологи также легко вступают в реакцию с сулемой HgCl2 (Кучеров, Фаворский). Ацетилен горит очень ярким пламенем, что объясняется сравнительно большим количеством содержащегося в нем углерода. [53]

Образование и существование в природе больших масс нефти, или смеси жидких углеводородов, главным образом серий CnH2n+2 и CnH2n, во многих отношениях примечательно. [54] В некоторых горных районах — как, например, на склонах Кавказского хребта, на возвышенностях, лежащих в направлении, параллельном хребту — из земли выходит маслянистая жидкость вместе с соленой водой и горячими газами (метаном и другими); она имеет смолистый запах и темно-бурый цвет и легче воды. Эта жидкость называется нефтью, или горным маслом (petroleum), и добывается в больших количествах путем бурения колодцев и глубоких скважин в тех местах, где наблюдаются следы нефти, причем нефть иногда выбрасывается из колодцев фонтанами значительной высоты. [55] Выделение нефти всегда сопровождается соленой водой и болотным газом. Нефть с древних времен добывалась в России на Апшеронском полуострове близ Баку, а ныне разрабатывается также в Бирме (Индия), в Галиции у Карпат и в Америке, особенно в Пенсильвании и Канаде и т. д. Нефть состоит не из одного определенного углеводорода, а из смеси нескольких, и ее плотность, внешний вид и другие свойства варьируют в зависимости от количества различных углеводородов, из которых она состоит. Легкие сорта нефти имеют удельный вес около 0,8, а тяжелые — до 0,98. Первые представляют собой очень подвижные жидкости и более летучи; вторые содержат меньше летучих углеводородов и менее подвижны. При перегонке легких сортов нефти температура кипения, измеряемая в парах, постоянно меняется, начинаясь с 0° и поднимаясь выше 350°. То, что перегоняется первым, представляет собой весьма подвижную бесцветную эфирную жидкость (образующую газолин, лигроин, бензолин и т. д.), из которой могут быть извлечены углеводороды, чьи температуры кипения начинаются от 0° — а именно углеводороды C4H10, C5H12 (кипящий при 30°), C6H14 (кипящий при 62°), C7H16 (кипящий около 90°) и т. д. Те фракции нефтяного дистиллята, которые кипят выше 130° и содержат углеводороды с C9, C10, C11 и т. д., входят в состав маслянистого вещества, повсеместно применяемого для освещения, называемого керосином, или фотогеном, или фотонафталином, и под другими названиями. Удельный вес керосина составляет от 0,78 до 0,84, и пахнет он нефтью. Те продукты перегонки нефти, которые перегоняются ниже 130° и имеют удельный вес ниже 0,75, входят в состав легкой нефти (бензолина, лигроина, петролейного эфира и т. д.), используемой в качестве растворителя для каучука, для удаления жировых пятен и т. д. Те части нефти (которые могут перегоняться без изменения только с помощью перегретого пара, в противном случае они в значительной степени разлагаются), которые кипят выше 275° и вплоть до 300° и имеют удельный вес выше 0,85, образуют превосходное масло, [56] безопасное в отношении воспламенения (что очень важно для уменьшения пожарной опасности) и пригодное для использования в лампах в качестве эффективной замена керосина. [57] Те части нефти, которые перегоняются при еще более высокой температуре и имеют удельный вес выше 0,9, обнаруживаемые в изобилии (около 30%) в бакинской нефти, составляют превосходные смазочные, или матросские [58], масла. Нефть имеет множество важных применений, и нефтяная промышленность в настоящее время имеет огромное торговое значение, особенно потому, что нефть и ее отходы могут использоваться в качестве топлива. [59] Образовалась ли нефть из органических веществ, весьма сомнительно, так как она встречается в древнейших силурийских пластах, соответствующих тем эпохам существования Земли, когда органических веществ было мало; она не могла проникнуть из высших пластов в низшие (более древние), поскольку плавает на воде (а вода проникает через все пласты). Поэтому она стремится подняться к поверхности земли и всегда обнаруживается в возвышенностях, параллельных направлению гор. [60] Гораздо более вероятно, что ее образование можно приписать действию воды, проникающей через трещины, образующиеся на горных склонах, и достигающей недр земли, того ядра из раскаленного металлического вещества, существование которого приходится признавать во внутренних областях земли. И как метеоритное железо часто содержит углерод (подобно чугуну), так, допуская существование такого углеродистого железа на недосягаемых глубинах в недрах земли, можно предполагать, что нефть образовалась в результате действия воды, проникающей через трещины пластов при поднятии горных цепей, [61] поскольку вода с карбидом железа должна давать окись железа и углеводороды. [62] Прямой опыт доказывает, что так называемый зеркальный чугун (марганцовистый чугун, богатый химически связанным углеродом) при обработке кислотами дает жидкие углеводороды, [63] которые по составу, внешнему виду и свойствам полностью идентичны нефти. [64]

Примечания:

[1] Древесина — это неодушевленная часть древесных растений: живая часть обычных деревьев располагается между корой и древесиной. Каждый год на этой части откладывается слой древесины за счет соков, которые всасываются корнями и поднимаются листьями; по этой причине возраст деревьев можно определять по числу отложившихся слоев древесины. Древесное вещество состоит главным образом из волокнистой ткани, на которую отложилась древесина, или так называемое инкрустирующее вещество. Ткань имеет состав C6H10O5, отложившееся на ней вещество содержит больше углерода и водорода и меньше кислорода. Это вещество насыщено влагой, когда дерево находится в свежем состоянии. Свежая березовая древесина содержит около 31% воды, липовая — 47%, дубовая — 35%, сосновая и еловая — около 37%. При высушивании на воздухе древесина теряет значительное количество воды, и остается не более 19%. Искусственными средствами эту потерю воды можно увеличить. Если нагнать воду в поры древесины, последняя становится тяжелее воды, так как древесина, из которой она состоит, имеет плотность около 1,6. Один кубический сантиметр березовой древесины весит в свежем состоянии не более 0,901 грамма, ели — 0,894, липы — 0,817, тополя — 0,765; в сухом состоянии береза весит 0,622, сосна — 0,550, ель — 0,355, липа — 0,430, бакаут — 1,342, эбеновое дерево — 1,226. На одном гектаре (2,7 акра) лесной площади годовой прирост составляет в среднем 3000 килограммов (или около 3 тонн) древесины, но редко достигает 5000 кг. Средний химический состав древесины, высушенной на воздухе, может быть выражен следующим образом: гигроскопическая вода — 15%, углерод — 42%, водород — 5%, кислород и азот — 37%, зола — 1%. Древесина расстается со своей гигроскопической влагой при 150° и разлагается при температуре около 300°, давая бурый, хрупкий, так называемый красный уголь; выше 350° образуется черный уголь. Поскольку водород, содержащийся в древесине, требует для своего сгорания около сорока весовых частей кислорода, который присутствует в количестве около 36%, все, что сгорает в древесине, — это содержащийся в ней углерод, причем 100 частей древесины выделяют столько же тепла, сколько сорок частей древесного угля, и поэтому было бы гораздо выгоднее использовать для отопления уголь, нежели древесину, если бы его можно было получать в таких количествах, которые соответствуют его процентному соотношению — то есть сорок частей на 100 частей древесины. Однако обычно получаемое количество гораздо меньше, не более 30%, так как часть углерода улетучивается в виде газа, смолы и т. д. Если древесину приходится перевозить на большие расстояния или если необходимо получить очень высокую температуру при ее сжигании, то даже 25% угля из 100 частей древесины могут оказаться выгодными. Древесный уголь выделяет при сгорании 8000 тепловых единиц, в то время как высушенная на воздухе древесина развивает не более 2800 единиц тепла; поэтому семь частей древесного угля дают столько же тепла, сколько двадцать частей дерева. Что касается температуры горения, то у древесного угля она значительно выше, чем у дерева, поскольку двадцать частей горящего дерева выделяют, помимо углекислоты [углекислого ангидрида], которая также образуется вместе с углем, одиннадцать частей воды, испарение которой требует значительного количества тепла.

Рис. 57. Аппарат для сухой перегонки дерева. Ретортная печь a, содержащая дерево, нагревается дымовыми каналами c e. Пар и летучие продукты перегонки проходят по трубе g через холодильник m, где они конденсируются. Форма, расположение и размеры аппарата варьируют.

Состав растущих частей растений, листьев, молодых ветвей, побегов и т. д. отличается от состава древесины тем, что эти живые части содержат значительное количество сока, в котором много азотистых веществ (в самой древесине их очень мало), минеральных солей и большое количество воды. Взяв, например, состав клевера и лугового сена в зеленом и сухом состоянии: в 100 частях зеленого клевера содержится около 80% воды и 20% сухого вещества, в котором имеется около 3,5 частей азотистых белковых веществ, около 9,5 частей растворимых и около 5 частей нерастворимых безазотистых веществ и около 2 частей золы. В сухом клевере или клеверном сене содержится около 15% воды, 13% азотистых веществ и 7% золы. Такой состав травянистых веществ показывает, что они способны образовывать тот же сорт угля, что и сама древесина. Он также показывает различие питательных свойств, существующих между древесиной и упомянутыми веществами. Последние служат пищей для животных, поскольку содержат вещества, способные растворяться (переходить в кровь) и строить тело животных; таковы протеины, крахмал и т. д. Заметим здесь, что при хорошем урожае один акр земли дает в виде травы столько же органического вещества, сколько он дает в виде древесины.

Сто частей сухой древесины при сухой перегонке способны дать, помимо 25% древесного угля и 10% или более смолы, 40% водянистой жидкости, содержащей уксусную кислоту и древесный спирт, и около 25% газов, которые могут использоваться для целей отопления или освещения, поскольку они не отличаются от обычного светильного газа, который действительно может быть получен из дерева. Поскольку древесный уголь и смола являются ценными продуктами, в некоторых случаях сухую перегонку дерева ведут главным образом ради их получения. Для этой цели особенно выгодны те породы деревьев, которые содержат смолистые вещества, особенно хвойные, такие как ель, сосна и т. д.; береза, дуб и ясен дают гораздо меньше смолы, но зато выделяют больше водного ликера [водного раствора]. Последний используется для производства древесного спирта CH4O и уксусной кислоты C2H4O2. В таких случаях сухую перегонку ведут в перегонранных кубах [в кубах]. Кубы представляют собой не что иное, как горизонтальные или вертикальные цилиндрические реторты из котельного железа, обогреваемые топливом и имеющие отверстия наверху, а иногда и внизу для выхода легких и тяжелых продуктов перегонки. Сухая перегонка дерева в печах ведется двумя способами: либо путем сжигания части древесины внутри печи с тем, чтобы подвергнуть остальное сухой перегонке за счет тепла, полученного таким образом, либо путем помещения дерева в печь, тонкие стенки которой окружены дымоходом, отходящим от топлива, помещенного в пространстве снизу.

Первый метод дает не столь большое количество жидких продуктов сухой перегонки, как второй. Во втором процессе внизу обычно имеется выпускное отверстие для выгрузки угля по окончании операции. Для сухой перегонки 100 частей древесины расходуется от сорока до двадцати частей топлива.

На севере России лес настолько обилен и дешев, что эта местность прекрасно подходит для того, чтобы стать центром общей торговли продуктами его сухой перегонки. Каменный уголь (примечание 6), водоросли, торф, животные вещества (глава VI) и т. д. также подвергаются процессу сухой перегонки.

[2] Результатом неполного сгорания является не только потеря части топлива и образование дыма, что в некоторых отношениях неудобно и вредно для здоровья, но также низкая температура пламени, что означает передачу меньшего количества тепла обогреваемому предмету. Неполное сгорание не только всегда сопровождается образованием сажи или несгоревших частиц угля, но также образованием в дыме окиси углерода CO (глава IX), которая горит с выделением большого количества тепла. На заводах и фабриках, где потребляется большое количество топлива, принимаются многочисленные меры для обеспечения полного сгорания и борьбы со столь губительной практикой, как неполное сгорание топлива. Наиболее эффективным и радикальным средством является использование горючих газов (генераторного и водяного газов), поскольку с их помощью можно легко осуществить полное сгорание без потери теплотворной способности и достичь наивысших температур. При использовании твердого топлива (такого как каменный уголь, дерево и торф) неполное сгорание наиболее вероятно тогда, когда дверцы топки открываются для загрузки свежего топлива. Лестничная топка [ступенчатая решетка] часто может служить средством устранения этого недостатка. В обычной топке свежее топливо помещается на горящее топливо, и продукты сухой перегонки свежего топлива должны сгорать за счет кислорода, оставшегося несвязанным с сожженным топливом. Неполное сгорание наблюдается в этом случае и в силу того обстоятельства, что сухая перегонка и испарение воды свежего топлива, лежащего поверх сожженного, понижают температуру пламени, так как часть тепла становится скрытой. По этой причине наблюдается большое количество дыма (неполное сгорание) при введении в топку новой порции топлива. Этого можно избежать, сконструировав топку (или организовав процесс топки) таким образом, чтобы продукты перегонки проходили через раскаленный уголь, оставшийся от сожженного топлива. Для обеспечения этого необходимо лишь подать достаточное количество воздуха для полного сгорания. Все это легко достигается применением ступенчатых колосников. Топливо подается в бункер и падает на колосники, расположенные в виде лестницы. Горящий уголь находится внизу, и поэтому пламя, образуемое свежим топливом, нагревается от соприкосновения с раскаленным горящим углем. Подача воздуха через колосниковую решетку, равномерное распределение топлива по колосникам (иначе воздух будет прорываться через пустые места и понижать температуру), правильное соотношение между подачей воздуха и тягой в дымовой трубе, а также идеальное смешение воздуха с пламенем (без избыточного избытка [чрезмерного избытка] воздуха) — вот средства, с помощью которых мы можем бороться с неполным сгоранием таких видов топлива, как дерево, торф и обычный (дымный) каменный уголь. Кокс, древесный уголь, антрацит горят без дыма, поскольку они не содержат водородистых веществ, доставляющих продукты сухой перегонки, но неполное сгорание может происходить и с ними; в этом случае дым содержит окись углерода.