Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

Коллектив авторов

В 1865 году Кекуле опубликовал статью, в которой высказал мнение, что атомы углерода составляют замкнутую структуру в виде шестиугольника, используя поочередно одну или две валентности для соединения между собой, а атомы водорода присоединяются к оставшимся валентностям (см. схему). Это новое понимание структуры бензола и всех ароматических соединений оказалось очень важным для дальнейшего развития науки.

^{Формула}

бензола. 

Сегодня бензол — один из основных химических продуктов по мировым объемам производства, количество способов его применения бесконечно: он используется при изготовлении разных видов резин, смазок, красок, порошков, медикаментов, пестицидов, на его основе производятся другие химические продукты, используемые при изготовлении пластмасс, смол и синтетических волокон, в том числе кевлар. Хотя свойства бензола сегодня изучены наиболее хорошо по сравнению с другими органическими соединениями, точная химическая структура вещества не была определена до недавнего времени — 1931 года.

Продолжительное воздействие бензола может вызывать лейкемию — уменьшение количества красных кровяных телец и увеличение белых.

Фарадей объединил результаты всех исследований в области химии в работе «Химические манипуляции» (Chemical manipulation), в которую включил и открытие бензола — свое последнее важное открытие, относящееся исключительно к области химии. Книга понятна даже неспециалистам, так как адресована студентам, не имеющим предварительных знаний по предмету. Фарадей избегал в ней сложных теоретических описаний, характерных для учебников той эпохи, и акцентировал внимание на экспериментах, так что работу можно считать своеобразным практическим руководством по химическим процессам.

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Вернемся на несколько лет назад, в 1823 год, когда, используя сжатие и охлаждение, Фарадей смог добиться сжижения различных газов — хлора, диоксида водорода, сульфгидрильной кислоты — и опубликовал первое серьезное исследование по сжижению газов, что было его важнейшим открытием в области химии. Ученый также стал пионером криогенеза и первым получил температуру ниже 100 градусов по Фаренгейту.

Процесс сжижения газов состоит в общем виде из нескольких этапов, включающих изменение температуры и давления для перевода вещества из газообразного состояния в жидкое. Уже в 1681 году Дени Папен установил, что вода в закрытой емкости остается в жидком состоянии даже при превышении температуры кипения 100 oС. С тех пор велись исследования, чтобы выяснить роль давления и температуры в процессах сжижения газов. В 1783 году Джеймс Уатт, создатель первой паровой машины, открыл, что латентное тепло парообразования (или энергия, необходимая для перехода из жидкого состояния в газообразное) изменяется с увеличением давления.

При увеличении давления и повышении предела точки кипения Уатт наблюдал, что латентное тепло постепенно уменьшается до достижения предела, в котором практически пропадает.

* * * 

Газовые законы

Основное отличие газа от твердых или жидких веществ состоит в том, что его молекулы находятся далеко друг от друга и перемещаются во всех направлениях. Ян Баптист ванн Гельмут ввел термин газ на основе греческого слова хаос («беспорядок»). Постепенно ученые пришли к выводу, что поведение газов можно изучить на основании отношений между их температурой, давлением и объемом. С XVII века начали устанавливаться первые газовые законы.

— Закон Бойля — Мариотта, сформулированный Робертом Бойлем и Эдмом Мариоттом в XVIII веке, утверждает, что для определенного количества газа при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению данного газа.

— Закон Шарля — Гей-Люссака, сформулированный французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1802 году, утверждает, что для определенного количества газа при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален температуре данного газа и для определенного количества газа при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его температуре.

— Закон Авогадро, сформулированный Амедео Авогадро в 1811 году, утверждает, что при одинаковых условиях давления и температуры одинаковые объемы разных газов содержат одинаковое количество молекул.

— Закон Грэма, сформулированный Томасом Грэмом в 1829 году, утверждает, что движение молекул двух или более газов дает в результате смешение молекул, в закрытой емкости такое смешение быстро образует гомогенную массу. Однако этот процесс меняется при наличии возможности для газа выйти из емкости через маленькие отверстия, или поры (так называемая эффузия газа). Скорость эффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню плотности газа.

* * * 

Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH₃) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO₂) с помощью охлаждения, хлора (Cl₂) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO₂), диоксид серы (SO₂), оксид азота (N₂O), этилен (C₂H₄), моноксид азота (NO), аммиак (NH₃), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl₂), сульфгидрильная кислота (SH₂), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H₂), кислорода (O₂), азота (N₂) и моноксида углерода (CO).

В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 oС. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость.