Удивительная химия

Леенсон Илья Абрамович

Вы сами можете изготовить весы и гири к ним, используя самые простые материалы: мягкую алюминиевую проволоку, нитки и легкие пластмассовые баночки (в таких баночках продают варенье, йогурты, творог и т. п.). Устройство весов видно из рисунка (рис. 2.3).

_{Рис. 2.3. Самодельные весы и разновесы к ним}

Деревянная (или легкая металлическая) стрелочка-указатель при равновесии располагается строго вдоль нитки, на которой подвешены весы. Если стрелка отклоняется от вертикального положения, надо более легкое коромысло весов утяжелить — намотать на нее немного тонкой медной проволоки, так чтобы стрелка располагалась вертикально. А где взять гири (химики называют их разновесами)?

Раньше с этим было просто: можно было

использовать «медные» монеты, которые чеканились в СССР (с небольшими перерывами) с 1926 по 1991 годы; копейка весила ровно 1 г (конечно, если она не очень стерлась), двухкопеечная монета — 2 г, трехкопеечная — 3 г, «пятак» — 5 г. Возможно, в вашей семье сохранились такие монеты, хотя бы несколько штук. Тогда вы можете с их помощью изготовить себе целый набор разновесов, используя алюминиевую проволоку подходящего диаметра и кусачки. Делается это так. В одну чашку кладете копейку, а в другую — кусочек проволоки, который весит больше 1 г. Осторожно откусывая от проволоки маленькие кусочки, добейтесь, чтобы весы пришли в равновесие. Аналогичным образом сделайте две гирьки по 2 г, используя либо старую двухкопеечную монету (такие монеты называли «двушками»; их очень любили, так как с такой монетой можно было позвонить по телефону-автомату), либо современную российскую 10-копеечную монету, которая тоже весит ровно 2 г. К сожалению, масса большинства современных монет «нецелая»; например. 1 копейка весит 1,5 г, 5 копеек — 2,5 г, 1 рубль — 3,3 г. А почему двухграммовых гирек должно быть две? Потому что стандартный набор гирь-разновесов таков: 1, 2, 2, 5, 10, 20, 20, 50, 100. Он позволяет взвесить любой предмет массой от 1 до 210 г (вы можете ограничиться «гирями» по 20 г). Когда вы начнете взвешивать, то сами убедитесь, что такой набор — самый удобный. Теперь для вас не составит труда изготовить «гири» по 5, 10 и 20 г (2 штуки!). Если ваши весы оказались достаточно чувствительными и стрелка заметно отклоняется даже при нагрузке 1 г, попробуйте изготовить гирьки по 0,5 г; как это сделать, подумайте сами. С помощью самодельных весов и гирь мы проведем несколько интересных опытов.

Для более точных измерений химики пользуются аналитическими весами. Когда-то каждый экземпляр аналитических весов изготовлялся мастером вручную и стоили хорошие весы очень дорого. Уже в начале XIX века точность самых лучших весов достигала 0,001 г (или 1 мг). Однако лишь немногие химики могли похвастаться такими весами. Даже знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус имел в молодые годы плохо оборудованную лабораторию с довольно грубыми весами, поэтому для получения надежных результатов он был вынужден повторять один и тот же анализ по 20–30 раз! За 10 лет Берцелиус произвел анализ порядка 2000 соединений, состоящих из 43 элементов. Можно только восхищаться усердием, с каким он проделал эту колоссальную работу. Спустя почти столетие другой знаменитый химик Вильгельм Оствальд, один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии, увидев в музее оборудование, с которым работал Берцелиус, сказал: «Мне стало совершенно ясно, как мало зависит от прибора и как много от человека, который перед ним сидит». Конечно, Оствальд имел в виду не только весы, и его слова остаются во многом справедливы и сегодня.

Со временем весы совершенствовались, и через несколько десятилетий уже каждый химик имел возможность взвешивать на стандартных аналитических весах несколько граммов вещества с точностью до 0,0001 г (рис. 2.4). Такие аналитические весы до сих пор можно встретить во многих лабораториях. Два больших цилиндра над чашками весов, внутри которых с маленьким зазором движутся цилиндры чуть меньшего диаметра, — это демпферы, назначение которых — быстро «успокоить» качание весов.

_{Рис. 2.4. Аналитические весы}

Гири для аналитических весов должны быть очень точными. Поскольку коррозия может изменить массу гирь на несколько миллиграммов (а это совершенно недопустимо), гири покрывают тонким слоем золота. А чтобы они не пачкались, их разрешается брать при взвешивании только специальным пинцетом. Точное взвешивание на аналитических весах — дело долгое и кропотливое. Даже малейшее движение воздуха в комнате влияет на их показания, поэтому весы помещают в шкафчик со стеклянными дверцами. Для облегчения процедуры взвешивания самые легкие гирьки на таких весах изготовляют в виде тонких проволочных колечек; они подвешены справа вверху на специальном держателе и помещаются в нужное место на коромысло весов с помощью рычажков, которыми можно управлять, вращая пластмассовый черный диск на внешней дверце шкафчика. Такие аналитические весы — очень сложный и капризный механический агрегат. Их коромысло качается на опоре из особо твердого минерала — агата. Таким весам посвящались целые параграфы в учебниках, и аккуратной работе с ними ранее долго обучали студентов. Вот что писала в рекламной брошюре 1940 года фирма «Кристиан Беккер», производившая такие весы: «Простой расчет показывает, что средний химик проводит значительную часть рабочего времени у весов. В лаборатории нередко можно видеть химиков, ожидающих возле весов своей очереди, задерживающих важную работу, чтобы провести необходимое взвешивание. В связи с этим очевидна необходимость в быстро работающих, удобных и точных весах».

Возникла необходимость — и задача была решена. Постепенно эти красивые аналитические весы уходят в прошлое. Недавно в бюллетене Американского химического общества была опубликована заметка, где говорилось, что весы — один из основных инструментов химика, за последнее время потеряли шарм, который в свое время делал их центральным местом лаборатории. И потеряли они его в результате… усовершенствования. Современные аналитические весы настолько удобны в работе, надежны и относительно дешевы, что многие химики как бы перестали их замечать, привыкли к ним. Современные весы — настоящее чудо электронной техники (рис. 2.5). На электронных весах можно взвесить с высокой точностью легкие образцы, стаканчик с раствором и даже тяжелую банку с краской. Обратите внимание: чем легче взвешиваемый предмет, тем больше знаков после запятой выдают весы. Для очень точных измерений электронные весы могут выдавать вес до пятого знака после запятой, т. е. до сотой доли миллиграмма.

_{Рис. 2.5. Электронные весы}

Электронные весы экономят массу времени: на взвешивание уходит всею несколько секунд. Судите сами: у электронных весов — всего одна чашка и никаких гирь! Чтобы отвесить, например, определенное количество реактива в виде порошка, химик ставит сначала на чашу весов пустую посуду, например, стаканчик. Встроенный в механизм чувствительный датчик давления выдает на микропроцессор сигнал, и после мгновенного вычисления на световом табло сразу высвечивается масса стаканчика, причем с очень высокой точностью (у некоторых весов точность измерения можно по желанию изменить). Нажатие специальной кнопки — и на табло опять одни нули; это значит, что процессор «запомнил» массу стаканчика и далее будет автоматически учитывать ее, когда в стаканчик поместят взвешиваемое вещество. Многие весы имеют также специальные программы для обнаружения ошибки взвешивания, усреднения погрешностей, вызванных вибрацией здания. Точность же электронных весов может быть необыкновенной. Так, микровесы имеют чувствительность до 10^{– 6} г, а ультрамикровесы — 10^{– 7} г. На таких весах можно определить массу точки, которую вы поставили авторучкой на листке бумаги!

Когда химики работают с жидкостями, например, с водными растворами, они обычно определяют не массу, а объем раствора. И в этом случае приборы для определения объема могут быть самыми разными и совершенно непохожими друг на друга — все зависит от того, каков 44 объем раствора и какова точность измерения. Вы, возможно, видели аптечные склянки с делениями, которые показывают объем налитой жидкости. Химики для этих целей используют мерные стаканы (один такой стакан показан на предыдущем рисунке — он стоит на весах), колбы и цилиндры (рис. 2.6).

_{Рис. 2.6. Колбы для жидкостей с делениями (а) и мерные цилиндры (б). Справа внизу (в) изображена колба на 25 мл}

Колба и цилиндр справа снабжены стеклянной притертой пробкой. С такой пробкой раствор может находиться в сосуде очень долго, не испаряясь.

Стаканы и колбы с делениями предназначены лишь для приблизительной оценки объема жидкости, поскольку они не очень точны. Цилиндры (они бывают огромные, на несколько литров, но точность их невелика — 50 или 100 мл, а бывают и маленькие цилиндры на 5—10 мл с делениями через 0,5 мл или даже меньше) позволяют отмерять объем жидкости значительно точнее. Тут как с весами — чем меньше измеряемое количество, тем меньше и цена деления. Чтобы лучше видеть цифры, шкала цилиндра может быть окрашена. Шестигранное основание цилиндра не дает ему катиться по столу, если его положить на бок (пустой, конечно). А надетое в верхней части пластмассовое кольцо не даст цилиндру разбиться, если он случайно упадет на лабораторный стол.

Когда при выполнении химических анализов химикам приходится готовить с большой точностью определенный объем раствора, например, 25, 100 или 500 мл, для этой цели используют стеклянные мерные колбы. Отличительная особенность мерной колбы — узкое длинное горлышко с нанесенной в верхней части кольцевой меткой — риской, до которой необходимо налить раствор, чтобы получить требуемый объем. Узкое горлышко позволяет точнее отмерять объем жидкости. Если при данной температуре (а температура, при которой измерен объем колбы, указана на стенке сосуда) насыпать в колбу точно взвешенную массу твердого вещества, затем налить в нее примерно на 2/3 объема растворитель (например, воду), закрыть пробкой, осторожно взболтать до растворения твердого вещества, а потом медленно (а в конце буквально по каплям) долить воду ровно до метки, то получится раствор вещества точно известной массы в точно известном объеме. Это позволяет легко рассчитать концентрацию полученного раствора, что для химиков очень важно.