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

И они пошли наудачу, бесцельно… просто затем, чтобы идти, не сидеть на месте, – ведь больше они ничего не могли сделать. Вскоре надежда как будто опять воскресла в их сердцах – не потому, что для этого была какая-нибудь причина, а потому, что таково уж свойство надежды: она возрождается снова и снова, пока человек еще молод и не привык терпеть неудачи.

Невдалеке медленно вырастал из земли сталагмит, образованный в течение веков крохотными каплями воды, которые падали с висевшего над ним сталактита. Узник отломал верхушку сталагмита и положил на него камень, в котором выдолбил ямку для собирания драгоценных капель, падавших на нее каждые три минуты с мрачной регулярностью маятника. В двадцать четыре часа набиралась таким образом десертная ложка. Эта капля падала, когда пирамиды были еще новыми зданиями; когда разрушали Трою; когда было положено основание Риму; когда распинали Христа; когда Вильгельм Завоеватель создавал Британскую империю; когда Колумб отправлялся в море; когда была еще животрепещущей новостью Лексингтонская битва. Капля падает и теперь, и будет падать, когда все события, о которых я сейчас говорил, потонут в мгле преданий и будут поглощены черной ночью забвения. Неужели все в мире имеет свою цель и свой смысл? Неужели эта капля терпеливо падала в течение пяти тысяч лет только для того, чтобы в свое время утолить жажду этой человеческой букашки? И есть ли у нее иная важная цель, которую ей предстоит осуществить в течение следующих десяти тысячелетий? Все это праздные вопросы. Много, много лет прошло с того времени, как злополучный метис выдолбил ямку в камне, но и до сих пор всякий турист, пришедший полюбоваться чудесами пещеры Мак-Дугала, дольше всего пялит глаза на этот печальный камень и на эти неторопливо падающие капли воды.

* * *

Что такое копоть?

Копоть образуется при неполном сгорании углеводородов (природного газа, парафина свечи, керосина в керосиновой лампе) и представляет собой тонкодисперсный графит (самая устойчивая аллотропная модификация химического элемента углерода). Копоть, осевшая толстым слоем в печной трубе, называется сажей. Возможно, вам приходилось сталкиваться с пигментом «сажа газовая» в гуашевых или масляных красках. Это сажа, которая получена в результате неполного сгорания природного газа. Трубочисты, очищавшие в былые времена печные трубы от сажи, собирали ее в мешок и продавали изготовителям красок.

По виду пламени можно понять, образуется ли копоть. Если пламя бесцветное, значит, копоти нет. Бесцветным пламенем горит водород: он уж никак не может образовать копоть (отчего и считается экологически безопасным топливом). Голубое пламя кухонных конфорок означает, что при неполном сгорании природного газа образуется угарный газ, но он тут же сгорает голубым пламенем. Если же пламя желтое, значит, при горении образуются мельчайшие частицы сажи. Раскаленные частицы сажи светятся желтым светом, благодаря чему и можно использовать свечи и керосиновые лампы для освещения. Водородная горелка света не даст.

Далее частицы сажи либо сгорают, либо, отдав энергию в виде света и не успев сгореть, остывают, попадают в воздух в виде копоти и осаждаются на поверхности дымохода, если топливо горит в печи. В верхнюю часть коптящего пламени свечи можно внести стеклышко и получить оптическое устройство, позволяющее наблюдать затмение солнца. Сажа, оседающая в дымоходах, мешает нормальной тяге продуктов сгорания и может загореться, вызвав разрушение печной трубы или пожар.

Почему мы считаем, что пещера карстовая?

Карстовые пещеры – одна из разновидностей пещер, имеющая свой особый механизм образования. Это пещеры, в образовании которых главную роль играют химические процессы. Карстовые пещеры обычно встречаются в горных массивах, сложенных известняковыми и доломитовыми породами, которые могут быть образованы известняком, арагонитом, мрамором, мелом (все это в своей основе карбонат кальция СаСО3), доломитом (СаСО3 ∙ MgCO3) и другими природными карбонатами. Такие горные массивы называют карстовыми. Карст – это химические процессы, происходящие под воздействием на горную породу воды. Наиболее распространен известняковый карст. Длиннейшая в мире карстовая Мамонтова пещера с суммарной протяженностью ходов в 500 км находится в США, как и пещера Мак-Дугала.

Механизм карстообразования в известняках заключается в следующем.

Дождевая вода, содержащая растворенный углекислый газ, собирается в трещинах известняка и проникает внутрь массива, растворяя по пути карбонаты кальция и магния:

Суть процесса такова: вода с растворенным в ней углекислым газом – не что иное, как угольная кислота. Она реагирует с нерастворимым карбонатом, превращая его в растворимую кислую соль – гидрокарбонат кальция (или магния). В трещинах в известняке, куда стекала вода, постепенно образуется углубление, превращающееся затем в карстовую воронку. Насыщенная углекислым газом вода с поверхности уходит вглубь известняка, вымывая в его толще карстовую пещеру. Углекислым газом вода может насыщаться и проходя сквозь почву, и в недрах земли в областях недавней вулканической деятельности. Реагируя с карбонатами, вода теряет углекислый газ, но насыщается растворимыми гидрокарбонатами. Вода, содержащая ионы кальция или магния, становится жесткой. Если такую воду прокипятить, произойдет обратный процесс – разложение гидрокарбонатов кальция и магния (они нестойки к нагреванию и вообще могут существовать только в водном растворе):

Нерастворимые карбонаты кальция и магния выпадут в осадок и осядут на стенке чайника в виде накипи. Как видим, образование накипи – это химический процесс, как и образование карстовых пещер.

О том, что пещера Мак-Дугала карстовая, в тексте говорится недвусмысленно. В нем сказано, что вода в подземном ручье приносит известковый осадок. Мы, правда, понимаем теперь, что вода приносит вовсе не осадок, а растворенный углекислый газ, который участвует в образовании растворимых солей, переходящих в воду. Но дальше говорится о «кудрявой, кружевной Ниагаре» «из блестящего прочного камня». Это описание известняковых натеков в русле ручья. И они тоже характерны для карстовых пещер. А еще сталактиты и сталагмиты.

Как образуются натеки, сталактиты и сталагмиты?

Собственно, реакция, в результате которой в пещерах вырастают сталактиты и сталагмиты, а на стенах образуются красивые натеки, нам уже известна. Это та же реакция, что происходит при образовании накипи в чайнике: