Химия. Узнавай химию, читая классику. С комментарием химика - Елена Стрельникова

Двугорлая реторта, восхищавшая юного естествоиспытателя, не предназначена для получения водорода. Как и колба, и в отличие от аппарата Киппа, реторта изготовлена из тонкого жаропрочного стекла и предназначена для нагревания веществ. Но отогнутый вниз носик реторты позволяет сконденсировать образующиеся пары и собрать конденсат в колбочку. Реторту использовали для перегонки или отгонки летучих веществ. Алхимики пользовались ретортами с незапамятных времен, и до сих пор их выпускают стеклодувные мастерские.

Горелка Бунзена, названная так в честь немецкого химика Роберта Бунзена, была описана им в одной из публикаций в середине XIX в. Она предназначена для сжигания газообразного топлива, чаще всего природного газа. В Одессе до 1962 г. не было газопровода от месторождения природного газа. Правда, в 1865 г. в городе был построен газовый завод, на котором из каменного угля, поставлявшегося морем из Кардиффа, производился искусственный светильный газ (смесь водорода, угарного газа и метана). Но искусственный газ использовался в основном для освещения улиц газовыми фонарями. На кухнях горожане готовили в печках или на керосинках. Следовательно, подводки газа в семье Катаевых не было, и покупка горелки практического смысла не имела. Для получения водорода горелка и не нужна, но может пригодиться при испытании водорода на чистоту.

Двугорлая банка, на которой в конце концов и остановился гимназист Валя, называется промывной склянкой Вульфа. Она сконструирована в XVIII в. английским химиком Питером Вульфом и предназначена для промывания или осушения газов. В склянку наливают на четверть объема промывную или осушающую жидкость. Газ поступает в склянку через одно из отверстий. В горлышко вставлена пробка с газоотводной трубкой, опущенной в жидкость. Пробулькивая через жидкость, газ очищается от примесей, а затем выходит из другого отверстия. Но можно использовать склянку Вульфа и для других целей, например для получения водорода.

Склянки Вульфа

Как избежать взрыва водорода?

Приступая к опыту, Валентин Катаев знал о взрывоопасности смеси водорода с кислородом или с воздухом. Аптекарь предупредил его о неизбежности образования гремучего газа. Гремучим газом называют смесь водорода с кислородом, взрывающуюся при поднесении к ней пламени. Гремучей является любая смесь горючего газа с кислородом или воздухом. Например, причиной аварий в угольных шахтах обычно является взрыв гремучей смеси рудничного газа (метана) с воздухом.

Не любая смесь водорода с кислородом или воздухом способна взрываться. Если в гремучем газе соотношение объемов водорода и кислорода равно 2:1, взрыв будет наиболее мощный. При изменении пропорций сила взрыва уменьшается, а если водорода в смеси менее 3 % или более 92 %, она не воспламенится. Для смеси водорода с воздухом наиболее сильный взрыв произойдет при 28 % водорода, а если водорода менее 4 %, она не загорится. В отличие от метана, водород практически не встречается в природе, но со взрывом гремучего газа тоже могут быть связаны несчастные случаи, от взрывов в лабораториях до происшествий на производстве.

История исследования водорода начинается после 1766 г., когда он был открыт английским химиком Генри Кавендишем. Обнаружилось, что газ этот чрезвычайно легкий и горючий. Рассказывают, что французский химик, пионер воздухоплавания Жан Франсуа Пилатр де Розье решил проверить, что будет, если вдохнуть водород. Наполнив легкие водородом, он выдохнул его на пламя свечи. Как и гимназист Катаев, он думал, что водород просто сгорит на воздухе. К сожалению, в легких водород смешался с воздухом, гремучий газ при соприкосновении с пламенем воспламенился, огонь распространился (как и в опыте Вали Катаева) на весь объем смеси, находящейся в легких, и произошел взрыв! Пилатру де Розье показалось, что все его зубы вылетели вместе с корнями. Но в этот раз бесшабашный химик остался в живых. И все же именно несчастный случай с участием водорода стоил ему жизни.

Здесь нужно немного вспомнить историю воздухоплавания. Братья Монгольфье в 80-е гг. XIX в. изобрели воздушный шар, поднимающийся в атмосфере благодаря наполнению теплым воздухом. Сначала была идея наполнить шар водородом, но не удалось создать герметичную оболочку для газа, молекулы которого легко проходили сквозь ткань. Одновременно с братьями Монгольфье над проблемой воздухоплавания работал французский физик Жак Шарль. Он, как и братья Монгольфье, решил наполнять шар легким газом водородом, но сумел решить проблему проницаемости оболочки: пропитал ткань раствором каучука в скипидаре, сделав ее газонепроницаемой. Испытание шарльера произошло несколькими месяцами позже монгольфьера. Пилатр де Розье увлекся воздухоплаванием и решил объединить достоинства монгольфьера и шарльера в одном аэростате с двумя оболочками, в одной из которых содержится водород, а вторая в ходе полета наполняется горячим воздухом. Такой аэростат должен был обладать большей маневренностью. Но соседство горючего водорода и открытого пламени привело к трагедии. Во время пробного полета розьера через Ла-Манш искра из нижней оболочки попала в верхний баллон с водородом, аэростат загорелся, Пилатр де Розье и его спутник погибли вместе с аэростатом.

Эта катастрофа была не последней в истории воздухоплавания, связанной с водородом. Уже в XIX в. были созданы дирижабли – летательные аппараты легче воздуха, оснащенные двигателем. Их наполняли самым легким газом, водородом. В Германии в первой половине ХХ в. широко использовались дирижабли конструкции графа Фердинанда фон Цеппелина, называвшиеся в честь него цеппелинами. Эти дирижабли, наполняемые водородом, были задействованы в пассажирских перевозках, в частности, совершали трансатлантические рейсы. В 1937 г. завершивший перелет из Германии в США цеппелин «Гинденбург» погиб у причальной мачты на базе Лейкхерст от возгорания и взрыва баллонов с водородом. После этой трагедии дирижаблестроение сошло на нет, а дирижабли были вытеснены самолетами.

Хотя аптекарь и предупредил юного экспериментатора о гремучем газе, но его совет о том, как избежать взрыва, никуда не годится. Визуально определить, когда весь воздух будет вытеснен и из трубочки пойдет чистый водород, невозможно. Единственный надежный способ – испытывать водород на чистоту перед применением. Этот способ описан в каждом учебнике химии. Надо собрать порцию выделяющегося водорода в перевернутую вверх дном пробирку и поднести ее, не переворачивая, отверстием к пламени. Если раздастся легкий хлопок, значит, водород чистый и можно его поджигать. Если в пробирке гремучий газ, раздастся резкий свистящий звук. Надо подождать, а потом провести испытание еще раз, и так до появления легкого хлопка.