«Основы химии, Том I»

[3] Под действием воздуха органические вещества способны окисляться до такой степени, что весь содержащийся в них углерод и весь водород превращаются в углекислоту [углекислый ангидрид] и воду. Растительные и животные остатки подвергаются такому изменению независимо от того, разлагаются ли они медленно и гниют или быстро сгорают при прямом доступе воздуха. Но если доступ воздуха ограничен, полного превращения в воду и углекислоту не происходит, возникают другие летучие вещества (богатые водородом), в то время как уголь должен оставаться в качестве нелетучего вещества. Все органические вещества неустойчивы, они не выдерживают нагревания и изменяются даже при обычных температурах, особенно в присутствии воды. Поэтому легко понять, что уголь во многих случаях может быть получен в результате превращения веществ, входящих в состав организмов, но что в чистом виде он никогда не встречается.

Однако вода и углекислота [углекислый ангидрид] — не единственные продукты, выделяющиеся из органических веществ. Углерод, водород и кислород способны образовывать множество соединений; некоторые из них представляют собой летучие соединения, газообразные, растворимые в воде — они улетучиваются из органического вещества, претерпевая изменения без доступа воздуха. Другие, напротив, нелетучи, богаты углеродом, нечувствительны к теплу и другим агентам. Последние остаются в смеси с углем в том месте, где происходит разложение; таковы, например, смолистые вещества. Количество этих тел, обнаруживаемых в смеси с углем, весьма разнообразно и зависит от энергии и продолжительности действия разлагающего агента. Прилагаемая таблица показывает по данным Виолетта те изменения, которые претерпевает дерево при различных температурах при сухой перегонке с помощью перегретого пара:

Temperature Residue

from 100 parts

of alder wood In 100 parts of the residual charcoal

C H O and N Ash

150° 100·0 47·5 6·1 46·3 0·1

350° 29·7 76·6 4·1 18·4 0·6

1032° 18·7 81·9 2·3 14·1 1·6

1500° 17·3 95·0 0·7 3·8 1·7

[4] Цель получения древесного угля из дерева была объяснена в примечании 1. Древесный уголь получается в так называемых кучах [углежжение] путем частичного сгорания дерева или посредством сухой перегонки (примечание 1) без доступа воздуха. Он производится главным образом для металлургических процессов, особенно для выплавки и ковки железа. Приготовление угля в кучах имеет одно преимущество, а именно то, что его можно осуществлять в любом месте в лесу. Но при этом все продукты сухой перегонки теряются. Для выжигания угля обычно строят костер или кучу, в которой поленья укладываются вплотную друг к другу, горизонтально, вертикально или наклонно, образуя кучу диаметром от шести до пятидесяти футов и даже более. Под кучей имеется несколько горизонтальных воздушных каналов и отверстие посредине для выпуска дыма. Поверхность кучи покрывается толстым слоем земли и дерна, особенно верхняя часть, чтобы препятствовать свободному проходу воздуха и концентрировать тепло внутри. Когда куча зажигается, поленница начинает постепенно опускаться, и тогда необходимо следить за дерновым покрытием и поддерживать его в исправности. По мере того как горение распространяется по всей поленнице, температура повышается и начинается настоящая сухая перегонка. Тогда необходимо заделать воздушные отверстия, чтобы по возможности предотвратить ненужное горение. Суть процесса заключается в том, что часть топлива сгорает и выделяет тепло, необходимое для подвергания остальной части сухой перегонке. Углежжение прекращается, когда выделяющиеся продукты сухой перегонки перестают гореть ярким пламенем, а появляется бледно-голубое пламя окиси углерода. Сухое дерево в кучах дает около одной четверти своего веса угля.

[5] Когда мертвые растительные остатки претерпевают превращение на воздухе в присутствии влаги и низших организмов, остается вещество, гораздо более богатое углеродом — а именно перегной, чернозем или почвенный перегной. 100 частей перегноя в сухом состоянии содержат около 70% углерода. Корни, листья и стебли растений, которые увядают и падают на землю, образуют почву, богатую перегноем. Неодушевленные растительные вещества (древесная ткань) сначала образуют бурое вещество (ульмовые соединения), а затем черное вещество гуминовые вещества, которые нерастворимы в воде; после этого образуется бурая кислота, растворимая в воде (апокреновая кислота), и наконец бесцветная кислота, также растворимая в воде (креновая кислота). Щелочь растворяет часть первоначальных бурых и черных веществ, образуя растворы бурого оттенка (ульмовая и гуминовая кислоты), которые иногда сообщают свою окраску родникам и рекам. Процент гумуса в почве обычно оказывает непосредственное влияние на ее плодородие: во-первых, потому, что гниющие растения выделяют углекислоту [углекислый ангидрид] и аммиак и доставляют вещества, образующие золу растений, необходимую для растительности; во-вторых, потому, что гумус способен привлекать влагу воздуха и поглощать воду (вдвое больше своего веса) и тем самым поддерживает почву во влажном состоянии, что необходимо для питания; в-третьих, гумус делает почву пористой и, в-четвертых, делает ее более способной поглощать тепло солнечных лучей. По этой причине чернозем часто отличается наибольшим плодородием. Одна из целей удобрения почвы — увеличение количества гумуса в ней, для чего могут использоваться любые легко изменяющиеся растительные или животные вещества (компосты). Бескрайние пространства черноземных почв в России способны даровать стране неисчислимые богатства.

Происхождение и распространение черноземных почв подробно рассмотрены в трудах профессора Докучаева.

Если вещества, образующие перегной, подвергаются разложению под водой, образуется меньше углекислоты [углекислого ангидрида], выделяется некоторое количество болотного газа CH4, а твердый остаток образует кислый перегной, встречающийся в больших количествах в заболоченных местах и называемый торфом. Торф особенно изобилует в низинах Голландии, Северной Германии, Ирландии и Баварии. В России он также встречается в больших количествах, особенно в Северо-Западных областях. Старые твердые формы торфа по составу и свойствам напоминают бурый уголь; новейшие образования, еще не уплотненные давлением, представляют собой очень пористые массы, сохраняющие следы растительного вещества, из которого они образовались. Высушенный (а иногда прессованный) торф используется в качестве топлива. Состав торфа значительно варьирует в зависимости от местности, где он найден. При сушке на воздухе он содержит не менее 15% воды и 8% золы; остальное состоит из 45% углерода, 4% водорода, 1% азота и 28% кислорода. Его теплотворная способность примерно эквивалентна теплотворной способности дерева. Бурые землистые разновидности угля, вероятно, образовались из торфа. В других случаях они имеют выраженную древесную структуру и тогда известны как лигниты. Состав бурых сортов угля в заметной степени напоминает состав торфа — а именно: в высушенном состоянии бурый уголь содержит в среднем 60% углерода, 5% водорода, 26% кислорода и азота и 9% золы. В России бурый уголь встречается во многих районах под Москвой, в Тульской и Тверской губерниях и окрестностях; он весьма обычно используется в качестве топлива, особенно когда встречается мощными пластами. Бурые угли обычно горят пламенем подобно дереву и торфу и близки к ним по теплотворной способности, которая составляет половину или треть теплотворной способности лучшего каменного угля.

[6] Трава и дерево, растительность первобытных морей и подобные остатки всех геологических периодов должны были во многих случаях подвергаться тем же изменениям, которым они подвергаются ныне — то есть под водой они образовывали торф и лигниты. Такие вещества, сохранившиеся в течение долгого времени под землей, подвергшиеся действию воды, сжатые новыми пластами, образовавшимися над ними, видоизмененные отделением своих более летучих составных частей (торф и лигниты, даже в своем последнем состоянии, продолжают выделять азот, углекислоту [углекислый ангидрид] и болотный газ), образуют каменный уголь. Каменный уголь представляет собой плотную однородную массу, черную, с маслянистым или стеклянным блеском, реже тусклую, без явной растительной структуры; этим он отличается по внешнему виду от большинства лигнитов. Плотность угля (без учета примеси пиритов и т. д.) варьирует от 1,25 (сухой жирный уголь) до 1,6 (антрацит, беспламенный) и даже достигает 1,9 у весьма плотной разновидности угля, найденной в Олонецкой губернии (называемой шунгитом), которую по исследованиям профессора Иностранцева можно рассматривать как крайний член различных форм ископаемого угля.

Чтобы объяснить образование каменного угля из растительного вещества, Каньяр де ла Тур заключил кусочки высушенного дерева в трубку и нагрел их до температуры кипения ртути, при этом дерево превратилось в полужидкую черную массу, из которой выделилось вещество, чрезвычайно похожее на каменный уголь. Таким образом, некоторые виды древесины образовывали уголь, который при нагревании оставлял спекающийся кокс, а другие — неспекающийся; точно так же, как мы находим у природных разновидностей каменного угля. Виолетт повторил эти опыты с деревом, высушенным при 150°, и показал, что при разложении дерева таким путем образуются газ, водянистый раствор и остаток. Последний при температуре 200° обладает свойствами неполно выжженного древесного угля; при 300° и выше образуется однородная масса, подобная углю, которая при 340° плотна и не имеет полостей. При 400° остаток напоминает антрацит. В природе разложение, вероятно, в редких случаях осуществлялось одним лишь теплом; чаще оно осуществлялось с помощью воды и тепла, но в любом случае результат должен быть почти одинаковым.

Средний состав каменного угля, выведенный из многочисленных анализов, без учета золы, выглядит следующим образом: 84 части углерода, 5 частей водорода, 1 часть азота, 8 частей кислорода, 2 части серы. Количество золы составляет в среднем 5 весовых %, но существуют угли, содержащие большее количество золы, и они, естественно, менее выгодны для использования в качестве топлива. Количество воды обычно не превышает 10 весовых %. Антрациты представляют собой замечательную разновидность угля: они не дают летучих продуктов или дают лишь очень их незначительное количество, так как содержат мало водорода по сравнению с кислородом. В среднем составе каменного угля мы видели, что на 5 частей водорода приходится 8 частей кислорода; следовательно, 4 весовые части водорода способны образовывать углеводороды, поскольку 1 часть водорода необходима для образования воды с 8 частями кислорода. Эти 4 весовые части водорода могут превратить 48 частей углерода в летучие продукты, так как 1 весовая часть водорода в этих веществах соединяется с 12 частями углерода. Антрациты существенно отличаются от этого: если не учитывать золу, их средний состав следующий: 94 части углерода, 3 части водорода и 3 части кислорода и азота. Согласно анализам А. А. Воскресенского, грушевский антрацит (Донецкий округ) содержит: C = 93,8, H = 1,7, зола = 1,5. Следовательно, антрациты содержат лишь малое количество водорода, способного соединяться с углеродом с образованием углеводородов, горящих пламенем. Антрациты — это наиболее древние формы каменного угля. Самые молодые и наименее измененные угли, которые напоминают некоторые бурые разновидности, — это сухие угли. Они горят пламенем подобно дереву и оставляют кокс, имеющий вид кусков угля, причем половина их составных частей поглощается пламенем (они содержат много водорода и кислорода). Остальные разновидности угля (газовый, кузнечный, коксующийся и антрацит), по мнению Грюнера, во всех отношениях представляют собой промежуточные звенья между сухими углями и антрацитами. Эти угли горят очень дымным пламенем и при нагревании оставляют кокс, который относится к каменному углю так же, как древесный уголь к древесине. Количество и качество кокса значительно варьируются в зависимости от различных сортов угля, из которого он образуется. На практике угли чаще всего различают по свойствам и количеству даваемого ими кокса. В этом отношении особенно ценны так называемые битуминозные угли, так как даже мелкие фракции (штыб) этого вида при сухой перегонке дают крупные губчатые массы кокса. Если крупные куски углей этих видов подвергнуть сухой перегонке, они как бы плавятя, сплавляются и образуют спекшиеся массы кокса. Лучшие коксующиеся угли дают 65 % плотного спекшегося кокса. Такой уголь весьма ценен для металлургических целей (см. примеч. 8). Помимо кокса, при сухой перегонке угля образуются газ (см. далее, светильный газ, стр. 361), каменноугольная смола (дающая бензол, карболовую кислоту, нафталин, деготь для искусственного асфальта и т. д.), а также водный щелочной раствор (в случае дерева и бурого угля жидкость имеет кислую реакцию из-за уксусной кислоты), содержащий карбонат аммония (см. примеч. 6).

[7] В Англии в 1850 году добыча каменного угля достигала 48 миллионов тонн, а в последующие годы она возросла примерно до 190 миллионов. Кроме того, другие страны дают 300 миллионов тонн, Россия — около 6 миллионов. Соединенные Штаты Америки стоят на втором месте после Англии с добычей в 160 миллионов тонн, затем идет Германия — 90 миллионов; Франция производит немного (25 миллионов) и получает около 5 миллионов тонн из Англии. Таким образом, мир потребляет около 500 миллионов тонн каменного угля ежегодно. Помимо бытовых нужд, уголь используется главным образом в качестве топлива для паровых машин. Поскольку каждая лошадиная сила (= 75 килограммометров в секунду) паровой машины расходует в среднем более 25 килограммов за 24 часа, или за год (считая остановки) не менее 5 тонн на лошадиную силу, а в мире работает не менее 40 миллионов лошадиных сил, расход угля на создание движущей силы по меньшей мере равен половине всего производства. По этой причине уголь служит критерием промышленного развития страны. Около 15 % каменного угля расходуется на производство чугуна, железа, стали и изделий из них.

[8] Основные разрабатываемые угольные месторождения России: Донецкий бассейн (150 миллионов пудов в год, 62 пуда = 1 тонна), Польский бассейн (Домбровский и др., 120 миллионов пудов в год), Тульские и Рязанские пласты Московского бассейна (до 25 миллионов пудов), Уральский бассейн (10 миллионов пудов), Кавказский (Квибули, близ Кутаиса), киргизские степные месторождения, Кузнецкий угольный бассейн (Томская губ.), Сахалинское и др. Польский и Московский бассейны не дают коксующихся углей. Присутствие всех разновидностей угля (от сухого угля близ Лисичанска на Донце до антрацитов всего юго-восточного бассейна), огромное обилие превосходного металлургического угля (коксующегося, см. примеч. 6) в западной части бассейна, его огромная протяженность (до 25 000 кв. верст), близость пластов к поверхности (шахты ныне имеют глубину от 20 до 100 саженей, а в Англии и Бельгии — до 500 саженей), плодородие почвы (чернозем), близость моря (около 100 верст от Азовского моря) и рек Донец, Дон и Днепр, богатейшие, пожалуй, во всем мире залежи превосходной железной руды (Корсана Могила, Кривой Рог, Сулин и др., др.), медной руды, ртутной руды (возле Никитовки, в Бахмутском уезде Екатеринославской губ.) и других руд, залежи каменной соли (возле станций Ступка и Брянцовка), превосходные глины всех видов (фарфоровая, огнеупорная), гипс, сланец, песчаник и другие богатства Донецкого угольного бассейна дают полную уверенность в том, что с ростом промышленной деятельности в России этот благодатный край казачества и Новороссии станет центром обширнейшего производственного предприятия не только для потребностей России, но и всего мира, поскольку ни в каком другом месте нельзя найти такого скопления благоприятных условий. Рост предприимчивости и знаний наряду с истощением лесов, что заставляет Россию поощрять добычу угля, будут способствовать достижению этого желанного результата. Англия с целым флотом торговых судов экспортирует ежегодно около 25 миллионов тонн угля, цена которого выше, чем на Донце (где пуд добытого угля стоит в среднем менее 5 копеек), где антрациты и полуантрациты (вроде кардиффского, или паровика, горящего без дыма), а также коксующиеся и металлургические угли способны как по количеству, так и по качеству удовлетворить самые придирчивые требования уже существующей и повсеместно быстро возрастающей промышленности. Угольные шахты Англии и Бельгии приближаются к истощению, в то время как в шахтах Донецкого бассейна только на глубине 100 саженей залегает 1 200 000 миллионов пудов угля, ожидающих разработки.

[9] Поскольку от древесного угля трудно отделить примесь золы — то есть землистые вещества, содержащиеся в растительном веществе, используемом для получения угля, — для получения его в чистейшем состоянии необходимо применять такие органические вещества, которые не содержат золы, например, совершенно очищенный или рафинированный кристаллизованный сахар, кристаллизованную винную кислоту и т. д.

[10] Полости в древесном угле представляют собой каналы, через которые проходили летучие продукты, образовавшиеся одновременно с углем. Степень пористости древесного угля значительно варьируется в различных его видах и имеет техническое значение. Наиболее пористый древесный уголь очень легок; кубический метр древесного угля весит около 200 килограммов. Многие свойства древесного угля, зависящие исключительно от его пористости, разделяются многими другими пористыми веществами, изменяются с плотностью угля и зависят от способа его приготовления. Свойство угля поглощать газы, жидкости и многие вещества в растворе служит примером этого. Самый плотный вид угля образуется под воздействием сильного нагревания на сахар и другие плавящиеся вещества. Блестящий серый плотный кокс, образующийся в газовых ретортах, также имеет этот характер. Этот плотный кокс скапливается на внутренних стенках реторт, подвергающихся сильному нагреванию, и образуется за счет паров и газов, выделяющихся из нагретого угля в ретортах. Благодаря своей плотности такой кокс становится хорошим проводником гальванического тока и приближается к графиту. Он применяется главным образом в гальванических батареях. Кокс, или уголь, остающийся от неполного сгорания каменного угля и смолистых веществ, также малопорист, блестящ, не пачкает и не оставляет следов на бумаге, плотен, почти лишен способности удерживать жидкости и твердые тела и не поглощает газы. Светлые сорта древесного угля, получаемые из обугленной древесины, напротив, проявляют эту способность к поглощению в наиболее яркой степени. Это свойство особенно развито в том очень тонком и рыхлом угле, который готовится путем нагревания животных веществ, таких как шкуры и кости. Абсорбционная способность древесного угля по отношению к газам аналогична конденсации газов в губчатом платине. Здесь, очевидно, имеет место случай прилипания газов к твердому телу, точно так же как жидкости обладают свойством прилипать к различным твердым телам. Один объем древесного угля поглощает следующие объемы газов (уголь способен поглощать огромное количество хлора, почти равное его собственному весу):

Saussure.

Boxwood Charcoal Favre.

Cocoanut Charcoal Heat emitted

per gram of gas

NH3 90 172 vols. 494 units

CO2 35 97 „ 158 „

N2O 40 99 „ 169 „

HCl 85 165 „ 274 „

Количество газа, поглощаемого древесным углем, увеличивается с давлением и приблизительно пропорционально ему. Количество тепла, выделяющегося при абсорбции, близко к количеству тепла, освобождающемуся при растворении или переходе в жидкое состояние.

Древесный уголь поглощает не только газы, но и ряд других веществ. Например, спирт, содержащий неприятно пахнущее сивушное масло, при смешивании с древесным углем или фильтровании через него теряет большую часть сивушного масла. Практика фильтрования веществ через уголь с целью избавления от посторонних примесей часто применяется в химических и заводских процессах. Масла, спирты, различные экстракты, а также растительные и другие растворы фильтруются через древесный уголь с целью их очистки. Обесцвечивающая способность угля может быть испытана с использованием различных цветных растворов — таких как анилиновые красители, лакмус и т. д. Уголь, поглотивший одно вещество до насыщения, все еще способен поглощать некоторые другие вещества. Животный уголь, получаемый в очень раздробленном состоянии, особенно путем нагревания костей, представляет собой наилучший сорт для целей абсорбции. Костяной уголь применяется в больших количествах на сахарных заводах для фильтрования сиропов и всех сахаристых растворов с целью их очистки не только от красящих и пахучих веществ, но также от извести, которая примешивается к сиропам для того, чтобы сделать их менее неустойчивыми при кипячении. Поглощение извести животным углем по всей вероятности в значительной степени зависит от минеральных составных частей костяного угля.

[11] Древесный уголь является очень плохим проводником тепла и поэтому представляет собой превосходный изолятор или набивку для предотвращения передачи тепла. Угольная футеровка часто используется в тиглях для нагревания многих веществ, так как она не плавится и выдерживает гораздо больший нагрев, чем многие другие вещества.

[12] Неизменяемость древесного угля под действием атмосферных агентов, вызывающих изменения в большинстве каменистых и металлических веществ, часто используется на практике. Например, древесный уголь часто насыпают в межевые канавы. Поверхность древесины часто обугливают для придания ей долговечности в тех местах, где почва сырая и дерево само по себе быстро сгнило бы. Камеры (или на некоторых заводах башни), через которые проходят кислоты (например, серная и соляная) с целью приведения их в соприкосновение с газами или жидкостями, заполняются древесным или каменным углем, поскольку при обычных температурах он противостоит действию даже сильнейших кислот.

[12 bis] Макен (Maquenne, 1892) обнаружил, что углерод способен соединяться с щелочными металлами. 20%-я амальгама металлов нагревалась до каления с угольным порошком в токе водорода. Полученные таким образом соединения после отгонки ртути обладали составами BaC2, SrC2, CaC2. Все эти соединения реагируют с водой с образованием ацетилена, например:

BaC2 + 2H2O = C2H2 + Ba(OH)2

Макен предлагает карбид бария в качестве источника ацетилена. Он получил это соединение путем нагревания карбоната бария, магниевого порошка и ретортного углерода в печи Перро (BaCO3 + 3Mg + C = 3MgO + BaC2). Сто граммов BaC2 выделяют от 5200 до 5400 куб. см ацетилена, смешанного примерно с 2–3 % водорода.

Отношение ацетилена C2H2 к этим металлическим карбидам очевидно из того факта, что эти металлы (Ca, Sr, Ba) замещают 2 атома водорода, и поэтому C2Ba соответствует C2H2, так что их можно рассматривать как металлические производные ацетилена. Муассан (1893) получил подобные карбиды непосредственно из окислов, подвергая их действию вольтовой дуги в присутствии углерода, например: BaO + 3C = CO + C2Ba, хотя при температуре печи углерод не действует на окислы CaO, BaO, SrO. Относительно Al4C5 см. главу XVII, примеч. 38.

[13] Подвергаясь сжатию, древесный уголь теряет тепло, поэтому самая плотная форма относится к менее плотной как твердое тело к жидкости или как сложное вещество к простому. Отсюда можно сделать вывод, что молекулы графита сложнее молекул древесного угля, а молекулы алмаза — еще сложнее. Удельная теплоемкость обнаруживает такое же изменение, и, как мы увидим далее, возросшая сложность молекулы ведет к уменьшению удельной теплоемкости. При обычных температурах удельная теплоемкость древесного угля равна 0,24, графита — 0,20, алмаза — 0,147. Для ретортного углерода Ле Шателье (1893) нашел, что произведение удельной теплоемкости и атомного веса изменяется между 0° и 250° согласно формуле: = 1,92 + 0,0077t, а между 250° и 1000°: = 3,54 + 0,00246t (см. главу XIV, примеч. 4).

[14] Имеются места, где антрацит по мере погружения пластов постепенно переходит в графит. Мне самому довелось наблюдать это постепенное превращение в долине Аоста.

[15] Карандаши изготавливаются из графита, переведенного в однородную массу путем измельчения, растирания в порошок и очищения от землистых примесей; лучшие сорта делают из совершенно однородного графита, распиленного на необходимые палочки. Графит встречается во многих местах. В России особенно славится так называемый алиберовский графит, который находится на Алтае близ китайской границы; в Финляндии во многих местах, а также по берегам Малой Тунгуски Сидоров нашел значительное количество графита. В смеси с глиной графит используется для изготовления тиглей и горшков для плавления металлов.

Графит, подобно большинству форм древесного угля, все же содержит определенное количество водорода, кислорода и золы, так что в своем естественном состоянии он содержит не более 98 % углерода.

На практике графит очищается простой промывкой в тонкоизмельченном состоянии, посредством которой можно отделить большую часть землистых веществ. Следующий процесс, предложенный Броди, заключается в смешивании измельченного графита с 1/14 частью его веса хлористого калия. Затем смесь нагревают с двойным весом крепкой серной кислоты до прекращения выделения пахучих газов; при охлаждении смесь выливают в воду и промывают; затем графит сушат и прокаливают докрасна; после этого он значительно уменьшается в объеме и образует очень тонкий порошок, который затем промывают. Действуя на графит несколько раз смесью хлористого калия и азотной кислоты, нагретой до 60°, Броди превратил его в желтое нерастворимое кислое вещество, которое он назвал графитовой кислотой, C11H4O5. Алмаз остается неизменным при таком обращении, в то время как аморфный уголь полностью окисляется. Воспользовавшись этой возможностью отличать графит от алмаза или аморфного угля, Бертло показал, что при разложении соединений углерода с водородом теплотой образуется главным образом аморфный уголь, тогда как при разложении соединений углерода с хлором, серой и бором осаждается преимущественно графит.

[15 bis] Алмазы встречаются в определенной плотной породе, известной под названием итаколумита, и добываются из обломков, образующихся при разрушении итаколумита водой. При промывке этих обломков алмазы остаются; они находятся главным образом в Бразилии, в провинциях Рио и Баия, и на Мысе Доброй Надежды. Из этих обломков добывают черный или аморфный алмаз — карбонадо, а также обыкновенный бесцветный или желтоватый полупрозрачный алмаз. Поскольку алмаз обладает весьма ярко выраженной спайностью, первой операцией является его раскалывание с последующей грубой и тонкой шлифовкой алмазным порошком. Удивительно то, что профессоры П. А. Лачинов и Ерофеев обнаружили (1887) алмазный порошок в метеоритном камне, упавшем в Пензенской губернии, в Краснослободском уезде, близ колонии Ново-Урей (10 сентября 1886 г.). До того времени в метеоритах находили уголь и графит (особую разновидность — клифтониты), а присутствие алмаза лишь предполагалось. Ново-Урейский метеорит состоял из кремнистого вещества и металлического железа (с никелем), подобно многим другим метеоритам.

[16] Алмазы иногда встречаются в виде небольших шариков, и в этом случае их невозможно огранить, так как непосредственно при шлифовке или разломе они распадаются на мельчайшие кусочки. Иногда мелкие кристаллики алмаза образуют плотную массу наподобие сахара, и она обычно растирается в алмазный порошок и применяется для шлифования. Некоторые известные разновидности алмаза почти непрозрачны и имеют черный цвет. Такие алмазы столь же тверды, как и обычные, и используются для полирования алмазов и других драгоценных камней, а также для бурения горных пород и прокладки туннелей.

[16 bis] Ханней в 1880 году получил алмазы путем нагревания смеси тяжелых жидких углеводородов (парафиновых масел) с магнием в толстой железной трубе. Однако это исследование не было повторено.

[17] Электрическая печь — изобретение недавнего времени, позволяющее получать температуру в 3500°, которая недостижима не только в обычных печах, но даже в кислородно-водородном пламени, температура которого не превышает 2000°. Электрическая печь состоит из двух блоков извести, положенных друг на друга. В нижнем блоке сделано углубление для приема плавящегося вещества между двумя толстыми электродами из плотного углерода. При пропускании тока напряжением 70 вольт и силой 450 ампер легко достигается температура 3000°. При температуре 2500° (100 ампер и 40 вольт) плавятся не только все металлы, но даже известь и магнезия (при помещении их в пространство между угольными электродами, т. е. в вольтову дугу) размягчаются и кристаллизуются при охлаждении. При 3000° известь становится очень жидкой, металлический кальций частично выделяется, а углеродистое соединение долго остается в жидком состоянии. При этой температуре окись урана восстанавливается до закиси и метала, двуокись циркония и горный хрусталь плавятся и частично улетучиваются, как и глинозем; платина, золото и даже углерод заметно улетучиваются; большинство металлов образуют карбиды. При такой же температуре чугун и углерод дают графит, тогда как, по Руссо, между 2000° и 3000° алмаз переходит в графит и наоборот — графит в алмаз, так что это своего рода обратимая реакция.

[17 bis] Муассан впервые исследовал растворение углерода в расплавленных металлах (и образование карбидов), таких как магний, алюминий, железо, марганец, хром, уран, серебро, платина и кремний. В то же время Фридель в связи с открытием алмаза в метеоритном железе признал, что образование алмаза зависит от влияния железа и серы. С этой целью, то есть для получения алмаза, Фридель заставил серу реагировать с образцами чугуна, богатого углеродом, в закрытом сосуде при максимальной температуре 500°, и после растворения образовавшегося сернистого железа получил небольшое количество черного порошка, царапавшего корунд, т. е. алмаз. Опыты Муассана (1893 г.) увенчались большим успехом, вероятно, благодаря применению им электрической печи. Если железо насытить углеродом при температуре от 1100° до 3000°, то при 1100°–1200° образуется смесь аморфного углерода и графита, тогда как при 3000° получается исключительно графит в очень красивых кристаллах. Таким образом, в этих условиях алмаз не образуется, и его можно получить только в том случае, если высокой температуре сопутствуют мощные давления. Для этой цели Муассан воспользовался давлением, возникающим при переходе массы расплавленного чугуна из жидкого состояния в твердое. Он сначала расплавил 150–200 граммов железа в электрической печи и быстро ввел в расплавленное железо цилиндр из углерода. Затем он извлек тигель с расплавленным железом из печи и погрузил его в резервуар с водой. После обработки кипящей соляной кислотой были получены три разновидности углерода: (1) небольшое количество графита (если охлаждение было быстрым); (2) углерод каштанового цвета в виде очень тонких скрученных нитей, указывающих на то, что он подвергался воздействию очень высокого давления (подобная разновидность встречалась в различных образцах метеорита Каньон-Диабло) и, наконец, (3) незначительное количество чрезвычайно плотной массы, которая была освобождена от примеси более легких модификаций обработкой царской водкой, серной и плавиковой кислотами, из которой Муассану посредством жидкого бромоформа (уд. вес 2,900) удалось выделить небольшие кусочки, имеющие большую плотность, чем бромоформ, царапавшие рубин и обладающие свойствами алмаза. Некоторые из этих кусочков были черными, другие — прозрачными и сильно преломляли свет. Темно-серый оттенок первых напоминал таковой у черных алмазов (карбонадо). Их плотность составляла от 3 до 3,5. Прозрачные экземпляры имели жирный вид и казались как бы окруженными оболочкой из углерода. При 1050° они горели в токе воздуха не полностью, так что неполно сгоревшие частицы и особую форму зерен светлого охристого цвета, сохранивших свою кристаллическую форму, можно было рассмотреть под микроскопом. Подобные зерна остаются и после неполного сгорания обыкновенного алмаза. Муассан получил те же результаты путем быстрого охлаждения в струе светильного газа куска чугуна, насыщенного углеродом, полученным из сахара и предварительно нагретым до 2000°. В данном случае он получил мелкие кристаллы алмазов. К. Хрущов показал, что при температуре кипения серебро растворяет 6 % углерода. Это серебро было быстро охлаждено, так что на поверхности образовалась корочка, препятствовавшая расширению металла и создававшая тем самым мощное давление. Часть углерода, выделяющегося в этих условиях, проявляет свойства алмаза.

[18] Известно существование молекулы S6 (до 600°), и следует считать, что этим объясняется образование перекиси водорода (серного водорода) H2S5. Фосфор выступает в молекуле P4 и дает P4H2. При изложении данных об удельной теплоемкости мы вернемся к вопросу о сложности молекулы углерода.

[19] Углеводороды, бедные водородом и содержащие много атомов углерода, подобные хризену, карбопетроцену и т. д., CnH2(n-m), являются твердыми веществами и плавятся тем труднее, чем больше n и m. Они обнаруживают заметное приближение к свойствам алмаза. И по мере уменьшения воды в углеводах CnH2mOm — например, в гуминовых соединениях (примеч. 5) — переход сложных органических веществ в уголь становится весьма очевидным. Тот угольно- и графитоподобный остаток, который получается при отделении (с помощью медного купороса и поваренной соли) железа от белого чугуна, содержащего углерод в химическом соединении с железом, также представляется, особенно после исследований Г. А. Забудского, сложным веществом, содержащим C12H6O3. Усилия, направленные на определение меры сложности молекул древесного угля, графита и алмаза, вероятно, приведут когда-нибудь к решению этой задачи и, скорее всего, докажут, что различные формы древесного угля, графита и алмаза содержат молекулы различной и весьма значительной сложности. Постоянство группировки бензола, C6H6, а также широкое распространение и легкость образования углеводов, содержащих C6 (например, целлюлозы C6H10O5, глюкозы C6H12O6), дают основание думать, что группа C6 является первой и простейшей из тех, которые возможны для свободного углерода, и можно надеяться, что когда-нибудь удастся получить углерод в таком виде. Возможно, в алмазе удастся обнаружить такое же соотношение между атомами, как в бензольной группе, а в угле — такое же, как в углеводах.

[20] При горении угля сложная молекула Cn распадается на простые молекулы nCO2, и поэтому часть тепла — вероятно, немалая — расходуется на разрушение сложной молекулы Cn. Быть может, путем сжигания сложнейших веществ, наиболее бедных водородом, удастся составить представление о работе, необходимой для расщепления Cn на отдельные атомы.

[21] Вязкость, или степень подвижности жидкостей, определяется их внутренним трением. Она оценивается путем пропускания жидкостей через узкие (капиллярные) трубки, причем подвижные жидкости проходят с большей легкостью и быстротой, чем вязкие. Вязкость изменяется с температурой и природой жидкостей, а в случае растворов изменяется с количеством растворенного вещества, но не пропорциональна ему. Так, например, для спирта при 20° вязкость будет равна 69, а для 50%-го раствора — 160, если принять вязкость воды за 100. Объем жидкости, протекающей по данным опыта (Пуазейль) и теории (Стокc), пропорционален времени, давлению и четвертой степени диаметра (капиллярной) трубки и обратно пропорционален длине трубки; это позволяет составить сравнительные оценки коэффициентов внутреннего трения и вязкости.

По мере того как сложность молекул углеводородов и их производных возрастает за счет добавления углерода (или CH2), степень вязкости также увеличивается. Обширный ряд исследований, относящихся к этому предмету, все еще ожидает необходимого обобщения. Та связь, которая (уже отчасти замеченная) должна существовать между вязкостью и другими физическими и химическими свойствами, заставляет нас заключить, что величина внутреннего трения играет важную роль в молекулярной механике. При исследовании органических соединений и растворов подобные изыскания должны стоять на первом месте. Множество наблюдений уже сделано, но с ними пока еще мало что поделано; голые факты и некоторые механические данные существуют, но их отношение к молекулярной механике в должной степени не выяснено. Из имеющихся данных уже видно, что вязкость при температуре абсолютной точки кипения становится столь же малой, как и в газах.

[22] В ряде углеводородов и их производных такое замещение водорода металлами может быть достигнуто окольными путями. Свойство ацетилена C2H2 и его аналогов образовывать металлические производные в этом отношении особенно характерно. Судя по тому факту, что углерод является кислотным элементом (то есть дает с кислородом кислотный ангидрид), хотя и сравнительно слабо кислотным (поскольку угольная кислота отнюдь не сильная кислота, а соединения хлора с углеродом, даже CCl4, не разлагаются водой, как это имеет место с хлористым фосфором и даже хлористым кремнием и хлористым бором, хотя они и соответствуют кислотам с небольшой энергией), можно было бы ожидать обнаружения в водороде углеводородов этой способности замещаться металлами. Металлические соединения, соответствующие углеводородам, известны под названием элементоорганических (или металлоорганических) соединений. Таков, например, цинковый этил Zn(C2H5)2, соответствующий этиловому гидриду, или этану, C2H6, в котором два атома водорода обменены на один атом цинка.

[23] Газообразные и летучие углеводороды разлагаются при пропускании через нагретую трубку. При разложении углеводородов нагреванием первичными продуктами обычно являются другие, более стабильные углеводороды, среди которых находятся ацетилен C2H2, бензол C6H6, нафталин C10H8 и др.

[24] Вагнер (1888) показал, что при взбалтывании ненасыщенных углеводородов со слабым (1%-м) раствором перманганата калия KMnO4 при обычных температурах они образуют гликоли — например, C2H4 дает C2H6O2.

[25] Моя статья на эту тему появилась в «Известиях Санкт-Петербургской Академии наук» в 1861 году. До того времени, хотя многие продукты присоединения к углеводородам и их производным были известны, они не были обобщены и даже постоянно цитировались как случаи замещения. Так, соединение этилена C2H4 с хлором Cl2 часто рассматривалось как образование продуктов замещения C2H5Cl и HCl, которые, как предполагалось, удерживались вместе подобно кристаллизационной воде в солях. Еще раньше (1857 г., «Журнал Петровской академии») я рассматривал подобные случаи как истинные соединения. Вообще, согласно закону пределов, ненасыщенный углеводород или его производное при соединении с rX2 дает вещество, которое является насыщенным или же приближается к пределу. Исследования Франкнда с многочисленными элементоорганическими соединениями наглядно показали предел в случае металлических соединений, к чему мы будем постоянно возвращаться в дальнейшем.

[26] Понятие гомологии было применено Жераром ко всем органическим соединениям в его классическом труде «Traité de Chimie Organique», завершенном в 1855 году (в 4 томах), в котором он разделил все органические соединения на жирные и ароматические, каковое деление в принципе сохраняется и поныне, хотя последние чаще называют производными бензола ввиду того, что Кекуле в своих прекрасных исследованиях по строению ароматических соединений показал присутствие во всех них «бензольного ядра» C6H6.

[27] Это всегда верно для углеводородов, но для производных низших гомологов закон иногда иной; например, в ряду насыщенных спиртов CnH2n+1(OH) при n = 0 получается вода H(OH), кипящая при 100° и имеющая удельный вес при 15° = 0,9992; при n = 1 — древесный спирт CH3(OH), кипящий при 66° и имеющий при 15° удельный вес = 0,7964; при n = 2 — обыкновенный спирт C2H5(OH), кипящий при 78°, с удельной плотностью при 15° = 0,7936, причем при дальнейшем увеличении содержания CH2 удельный вес возрастает. Для гликолей CnH2n(OH)2 явление подобного рода еще более поразительно: сначала температура кипения и плотность увеличиваются, а затем для высших (более сложных) членов ряда уменьшаются. Причину этого явления, очевидно, следует искать во влиянии и свойствах воды и том сильном сродстве, которое, действуя между водородом и кислородом, определяет многие исключительные свойства воды (глава I).

[28] Так, например, в насыщенном ряду углеводородов CnH2n+2 низшим членом (n = 0) следует считать водород H2 — газ, который (при критической температуре ниже -190°) с большим трудом сжижается и в жидком состоянии обладает, несомненно, очень малой плотностью. При n = 1, 2, 3 углеводороды CH4, C2H6, C3H8 представляют собой газы, все более легко сжижающиеся. Температура абсолютной точки кипения для CH4 = -100°, для этана C2H6 выше, и у высших членов она повышается. Углеводород C4H10 сжижается примерно при 0°. C5H12 (существует несколько изомеров) кипит при температурах от +9° (Львов) до 37°, C6H14 — от 58° до 78° и т. д. Удельные веса в жидком состоянии при 15° следующие:

C5H12 C6H14 C7H16 C10H22 C16H34

0·63 0·66 0·70 0·75 0·85

[29] Если при обычной температуре (предполагая поэтому, что образующаяся вода будет находиться в жидком состоянии) сжечь грамм-молекулу (26 граммов) ацетилена C2H2, выделится 310 тысяч калорий (Томсен), и так как 12 граммов углерода производят 97 тысяч калорий, а 2 грамма водорода — 69 тысяч калорий, то отсюда следует, что если бы водород и углерод ацетилена сгорали раздельно, выделилось бы только 2 × 97 + 69, или 263 тысячи калорий. Очевидно, при своем образовании ацетилен поглощает 310–263, или 47 тысяч калорий.

Переходя к соображениям относительно сгорания соединений углерода, мы сначала перечислим количества тепла, выделяемого при сгорании определенных химических соединений углерода, а затем приведем несколько цифр, относящихся к видам топлива, используемым на практике.

Для молекулярных количеств при полном сгорании выделяются следующие количества тепла (при образовании газообразного углекислого газа и жидкой воды) согласно данным Томсена: (1) для газообразных CnH2n+2: 52,8 + 158,8n тысяч калорий; (2) для CnH2n: 17,7 + 158,1n тысяч калорий; (3) согласно Стоману (1888) для жидких насыщенных спиртов CnH2n+2O: 11,8 + 156,3n, а так как скрытая теплота испарения равна примерно 8,2 + 0,6n, в газообразном состоянии — 20,0 + 156,9n; (4) для одноосновных насыщенных жидких кислот CnH2nO2: —95,3 + 154,3n, а так как скрытая теплота их испарения составляет около 5,0 + 1,2n, в газообразной форме — около —90 + 155n; (5) для твердых насыщенных двухосновных кислот CnH2n-2O4: —253,8 + 152,6n, если они выражены как CnH2nC2H2O4, то 51,4 + 152,6n; (6) для бензола и его жидких гомологов (также по Стоману) CnH2n-6: —158,6 + 156,3n, а в газообразной форме — около —155 + 157n; (7) для газообразных гомологов ацетилена CnH2n-2 (по Томсену): —5 + 157n. Из приведенных цифр очевидно, что группа CH2 или CH3 при замещении H при сгорании выделяет от 152 до 159 тысяч калорий. Это меньше количества тепла, выделяемого C + H2, которое составляет 97 + 69, или 166 тысяч; причиной этого различия (оно было бы еще большим, если бы углерод был газообразным) является количество тепла, выделяющегося при образовании CH2. По Стоману, для декстроглюкозы C6H12O6 оно составляет 673,7; для обыкновенного сахара C12H22O11 — 1325,7; для целлюлозы C6H10O5 — 678,0; крахмала — 677,5; декстрина — 666,2; гликоля C2H6O2 — 281,7; глицерина — 397,2 и т. д. Теплота сгорания следующих твердых тел (определенная Стоманом) выражена на единицу веса: нафталин C10H8 — 9621; мочевина CN2H4O — 2465; яичный белок — 5579; сухой ржаной хлеб — 4421; пшеничный хлеб — 4302; сало — 9365; сливочное масло — 9192; льняное масло — 9323. Полнейший сбор арифметических данных по теплоте сгорания читатель найдет в труде В. Ф. Лугинина «Описание различных способов определения теплоты сгорания органических соединений» (Москва, 1894 г.).

Количество единиц тепла, выделяемых единицей веса при полном сгорании и охлаждении следующих обычных видов топлива в их обычном состоянии сухости и чистоты, составляет: (1) для древесного угля, антрацита, полуантрацита, каменного угля и кокса — от 7200 до 8200; (2) для сухих длиннопламенных углей и лучших бурых углей — от 6200 до 6800; (3) для совершенно сухого дерева — 3500; едва сухого — 2500; (4) для абсолютно сухого торфа высшего качества — 4500; прессованного и высушенного — 3000; (5) для нефтяных остатков и подобных жидких углеводородов — около 11 000; (6) для светильного газа обычного состава (около 45 об. % H, 40 об. % CH4, 5 об. % CO и 5 об. % N) — около 12 000; (7) для генераторного газа (см. следующую главу), содержащего 2 объема углекислого газа, 30 объемов окиси углерода и 68 объемов азота на одну весовую часть всего сожженного углерода — 5300, а на одну весовую часть самого газа — 910 единиц тепла; и (8) для водяного газа (см. следующую главу), содержащего 4 объема углекислого газа, 8 объемов N2, 24 объема окиси углерода и 46 объемов H2 — на одну весовую часть углерода, израсходованного в генераторе, 10 900, а на одну весовую часть самого газа — 3600 единиц тепла. В этих цифрах, как и во всех калориметрических наблюдениях, вода, образующаяся при сгорании топлива, предполагается жидкой. Что касается температуры, достигаемой топливом, то важно отметить, что для твердого топлива необходимо допускать (для обеспечения полного сгорания) двойное количество воздуха против требуемого, однако жидкое или пылевидное топливо, а особенно газообразное, не требует избытка воздуха; поэтому килограмм древесного угля, дающий 8000 единиц тепла, требует около 24 килограммов воздуха (3 килограмма воздуха на тысячу калорий), килограмм генераторного газа требует всего 0,77 килограмма воздуха (0,85 кг воздуха на 1000 калорий), а килограмм водяного газа — около 4,5 кг воздуха (1,25 кг воздуха на 1000 калорий).

[29 bis] Навоз, разлагающийся под действием бактерий, выделяет CO2 и CH4.

[30] Газ, выделяющийся в заболоченных местах, легко собрать, если опрокинуть в воду стеклянную бутыль и вставить в нее воронку (обе заполнены водой); если теперь взболтать донный ил, поднимающиеся пузырьки можно легко поймать опрокинутой воронкой.

[31]

Рис. 58. Общий вид газового завода. B — реторты; f — гидравлический затвор; H и I — смоляной колодец; i — конденсаторы; L — очистители; P — газгольдер.

Рис. 59. Паяльная трубка. Воздух вдувается в раструбообразный мундштук и выходит тонкой струйкой из платиновой насадки на конце боковой трубки.

Рис. 60. Безопасная лампа Дэви. [Современный вид.]

Осветительный газ обычно получают путем нагревания газового угля (см. примеч. 6) в овальных цилиндрических горизонтальных чугунных или глиняных ретортах. Несколько таких реторт BB (рис. 58) размещаются в печи A и нагреваются одновременно. Когда реторты нагреваются до каления, в них забрасывают куски угля, после чего их закрывают плотно пригнанной крышкой. На рисунке показана печь с пятью ретортами. В ретортах остается кокс (см. примеч. 1, сухая перегонка), а летучие продукты в виде паров и газов движутся по трубе d, отходящей от каждой реторты. Эти трубы разветвляются над топкой и сообщаются с приемником (гидравлическим затвором) f, расположенным над печью. Те продукты сухой перегонки, которые легче всего переходят из газообразного состояния в жидкое и твердое, собираются в гидравлическом затворе. Из гидравлического затвора пары и газы движутся по трубе g и ряду вертикальных труб j (которые иногда охлаждаются стекающей по поверхности водой), где пары и газы охлаждаются от соприкосновения с более холодной поверхностью, и конденсируется новое количество паров. Сконденсированные жидкости перетекают из труб g и j в желоба H. Эти желоба всегда содержат жидкость на постоянном уровне (избыток стекает), так что газ не может улетучиться, и таким образом они образуют так называемый гидравлический затвор. В том виде, в котором он выходит из конденсаторов, газ состоит главным образом из следующих паров и газов: (1) водяного пара, (2) карбоната аммония, (3) жидких углеводородов, (4) сероводорода H2S, (5) углекислого ангидрида CO2, (6) оксида углерода CO, (7) сернистого ангидрида SO2, но большая часть осветительного газа состоит из (8) водорода, (9) метана, (10) этилена C2H4 и других газообразных углеводородов. Углеводороды (3, 9 и 10), водород и оксид углерода способны к гороению и являются полезными составными частями, тогда как углекислый ангидрид, сероводород и сернистый ангидрид, а также пары карбоната аммония образуют вредную примесь, поскольку они либо не горят (CO2, SO2) и снижают температуру и яркость пламени, либо же, хотя и способны гореть (например, H2S, CS2 и др.), выделяют при горении сернистый ангидрид, который обладает неприятным запахом, вреден при вдыхании и портит многие окружающие предметы. Для отделения вредных продуктов газ промывают водой; для этой цели служит цилиндр (не показанный на рисунке), заполненный коксом, который непрерывно смачивается водой. Вода, вступая в соприкосновение с газом, растворяет карбонат аммония; сероводород, углекислый ангидрид и сернистый ангидрид, будучи лишь частично растворимы в воде, должны удаляться специальными средствами. Для этого газ пропускают через влажную известь или другую щелочную жидкость, так как вышеупомянутые газы обладают кислыми свойствами и поэтому задерживаются щелочью. В случае извести образуются карбонат, сульфит и сульфид кальция — все твердые вещества. Очищающий материал необходимо обновлять по мере уменьшения его поглотительной способности. Смесь извести и сульфата железа FeSO4 действует еще лучше, поскольку последний с известью Ca(HO)2 образует гидроксид железа Fe(HO)2 и гипс CaSO4. Закись железа (частично переходящая в оксид) поглощает H2S, образуя FeS и H2O, а гипс задерживает остаток аммиака, причем избыток извести поглощает углекислый ангидрид и серный ангидрид. [В английских работах для удаления сероводорода используется природный гидратированный гидроксид железа.] Эта очистка газа происходит в аппарате L, где газ проходит через перфорированные полки m, покрытые опилками, смешанными с известью и сульфатом железа. Необходимо отметить, что при производстве газа непременно нужно отсасывать пары из реторт, чтобы они не оставались там надолго (иначе углеводороды в значительной степени разложатся на уголь и водород), а также избегать высокого давления газа в аппарате, иначе некоторое количество газа будет выходить через все трещины, которые неизбежно существуют в столь сложном устройстве. Для этой цели служат специальные насосы (экгаустеры), отрегулированные так, что они откачивают только образующееся количество газа (насос не показан на рисунке). Очищенный газ проходит по трубе n в газометр (газгольдер) P — купол, изготовленный из листового железа. Края купола погружены в воду, налитую в кольцеобразный желоб g, в котором стенки купола поднимаются и опускаются. Газ собирается в этом газгольдере и распределяется по назначению через трубы, сообщающиеся с трубой o, выходящей из купола. Давление купола на газ позволяет ему при выходе из длинной трубы проникать через небольшое отверстие горелки. Сто килограммов угля дают около 20–30 кубических метров газа, имеющего плотность от четырех до девяти раз большую, чем плотность водорода. Кубический метр (1000 литров) водорода весит около 87 граммов; следовательно, 100 килограммов угля дают около 18 килограммов газа, то есть примерно одну шестую часть своего веса. Осветительный газ обычно легче метана, так как он содержит значительное количество водорода, и тяжелее метана только тогда, когда в нем много более тяжелых углеводородов. Так, этилен C2H4 в четырнадцать раз, а пары бензола в тридцать девять раз тяжелее водорода, и осветительный газ иногда содержит их до 15 об. p.c. Яркость пламени газа возрастает с количеством этилена и подобных тяжелых углеводородов, так как тогда он содержит больше углерода для данного объема и выделяется большее число частиц углерода. Газ обычно содержит от 35 до 60 об. p.c. метана, от 30 до 50 p.c. водорода, от 3 до 5 p.c. оксида углерода, от 2 до 10 p.c. тяжелых углеводородов и от 3 до 10 p.c. азота. Древесина дает почти такой же сорт газа, как и уголь, и почти в том же количестве, но древесный газ содержит много углекислого ангидрида, хотя, с другой стороны, в нем почти полностью отсутствуют соединения серы. Деготь, масла, нефть и подобные материалы доставляют большое количество хорошего осветительного газа. Обычная горелка силой в 8–12 свечей сжигает 5–6 кубических футов каменноугольного газа в час, но только 1 кубический фут нефтяного газа. Один пуд (36 английских фунтов) нефти дает 500 кубических футов газа — то есть один килограмм нефти производит около одного кубического метра газа. Образование горючего газа при нагревании угля было открыто в начале прошлого века, но внедрено в практику лишь к концу его Лебоном во Франции и Мердоком в Англии. В Англии Мердок вместе с известным Уаттом построил первый газовый завод в 1805 году.

На практике осветительный газ используется не только для освещения (электричество и керосин в России обходятся дешевле), но и в качестве движущей силы для газовых двигателей (см. стр. 175), которые потребляют около половины кубического метра на лошадиную силу в час; кроме того, газ применяется в лабораториях для целей нагревания. Когда необходимо сконцентрировать тепло, применяют либо обычную паяльную трубку (рис. 59), помещая ее конец в пламя и вдувая воздух через мундштук; либо, в других конструкциях, газ пропускают через паяльную трубку; когда же для нагревания тиглей или выдувания стекла требуется большое, горячее, беспламенное пламя, используют ножной мех. Высокие температуры, которые часто требуются для лабораторных и производственных целей, легче всего достигаются с помощью газообразного топлива (светильного газа, генераторного газа и водяного газа, о которых речь пойдет в следующей главе), поскольку полное сгорание может осуществляться без доступа воздуха. Само собой разумеется, что для получения высоких температур необходимо принимать меры к уменьшению потери тепла путем излучения и к обеспечению совершенного сгорания.

[32] Газ, выделяющийся в угольных шахтах, содержит много азота, немного углекислого ангидрида и большое количество метана. Лучшим средством избежать взрыва является эффективная вентиляция. Угольные шахты лучше всего освещать электрическими лампами.

[33] Лампа Дэви, усовершенствованный вид которой представлен на сопроводительном рисунке, используется для освещения угольных и других шахт, где встречается горючий газ. Фитиль лампы заключен в толстый стеклянный цилиндр, который прочно удерживается в металлическом держателе. Поверх него помещаются металлический цилиндр и металлическая сетка. Продукты горения проходят через сетку, а воздух поступает через пространство между цилиндром и металлической сеткой. Для обеспечения большей безопасности лампу нельзя открыть без погашения пламени.

[34] В Пенсильвании (за Аллеганскими горами) многие скважины, пробуренные на нефть, выделяли только газ, однако для него нашли множество полезных применений, и его проводили по металлическим трубам на заводы, находившиеся за сотни миль от них, главным образом для металлургических целей.

[35] Чистейший газ получается при смешивании жидкого вещества, называемого цинкметилом, Zn(CH3)2, с водой, причем происходит следующая реакция:

Zn(CH3)2 + 2HOH = Zn(HO)2 + 2CH3H.

[36] Метилен, CH2, не существует. Когда предпринимаются попытки получить его (например, путем удаления X2 из CH2X2), образуются C2H4 или C3H6 — иными словами, он подвергается полимеризации.

[37] Хотя способы образования и реакции, связанные с углеводородами, не описываются в этом труде, поскольку они рассматриваются в органической химии, тем не менее, для того чтобы наглядно показать механизм тех превращений, посредством которых атомы углерода объединяются в молекулы углеродных соединений, мы приводим здесь общий пример реакций такого рода. Из метана, CH4, с одной стороны, может быть осуществлено замещение водорода хлором или йодом (CH3Cl, CH3I), а с другой стороны, вместо водорода могут быть подставлены такие металлы, как натрий, например CH3Na. Эти и подобные продукты замещения служат средством получения других, более сложных веществ из данных углеродных соединений. Если мы приведем два вышеназванных продукта замещения метана (металлический и галоидный) в взаимное соприкосновение, то металл соединится с галогеном, образуя очень прочное соединение — а именно, поваренную соль NaCl, а углеродные группы, находившиеся в соединении с ними, отделятся в виде взаимного соединения, как показано уравнением: