Каждое количество воздуха в закрытом сосуде характеризуется четырьмя величинами:
1 — массой, (m)
2 — объемом, (V)
3 — давлением, (Р)
4 — температурой (t).
Все эти величины зависят друг от друга и изменение одной из них влечет за собой изменение другой или даже всех остальных. Те, кто уже изучал на уроках физики это явление, знают, что оно носит название закона Бойля и Мариотта. Этот закон действует в условиях, которые давайте называть обычными. Оказывается, что слишком большие давления или очень низкие температуры „необычны” для газов. В таких условиях газы перестают быть газами и становятся жидкостями, а иногда и очень твердыми телами. Одни газы сжижаются уже при небольших давлениях и слабом „морозе”. Для других нужно создавать огромные давления и очень низкие температуры, каких на земле не бывает. Но в каждом случае нужно и изменение величины давления и температуры. Это и понятно. Газ до тех пор остается газом, пока его частицы свободны и находятся в непрерывном движении. Надо забрать у них тепловую энергию, чтобы они перестали бегать, а потом прижать их друг к другу, чтобы они, как бы желая согреться, сгруппировались в большие и тяжелые капельки жидкости.
Самый распространенный газ — это окружающий нас воздух, который, впрочем, представляет собой смесь всех известных на земле газов. Химический состав воздуха различен на различной высоте. Воздух у самой поверхности земли, то есть тот, которым мы дышим, имеет везде одинаковый состав, а именно:
— азот (N2) 78,1 % объема,
— кислород (O2) 20,9 % объема,
— аргон (Аr) 0,93 % объема,
— углекислый газ (СО2) 0,02-0,03 % объема.
В воздухе содержатся также небольшие количества других газов, таких как неон (Ne), криптон (Кr), ксенон (Хе), гелий (Не) и самый легкий газ — водород.
А теперь, ребята, давайте проделаем с вами вместе кое-какие опыты с газами. Их, конечно, лучше всего проводить в школьных химических кабинетах или дома, под наблюдением взрослых.
1 литр водорода в обычных условиях весит 0,09 грамма, то есть в 14,5 раза легче воздуха (нормальными условиями для газов называем давление, равное 760 мм ртутного столба, и температуру 0° Цельсия). Цель первого опыта — доказать, что водород — газ легкий (см. рис. 1).
На технических весах подвесьте вверх дном два одинаковых сосуда и, если понадобится, уравновесьте весы разновесами. К одному из сосудов подведите по трубке водород, выделяющийся в аппарате Киппа. Более легкий газ — водород — вытеснит из сосуда воздух, заполнит его. Весы будут показывать, что сосуд с воздухом тяжелее.
Познакомьтесь поближе и с действием аппарата Киппа, которым пользуются в лабораториях для получения различных газов, например, сероводорода (воздействием соляной кислоты на пирит), углекислого газа (действием соляной кислоты на мрамор) или водорода (действием серной или соляной кислоты на цинк).
В среднюю часть аппарата насыпают опилки цинка (кусочки мрамора или пирита), а в верхнюю наливают соответствующую кислоту. Через открытый кран кислота из верхнего сосуда стекает в нижний, подходит вверх к среднему и вступает в реакцию с цинком (в случае получения водорода).
H2SO4 + Zn = ZnSO4 + Н2
Выделяющийся водород уходит через кран в экспериментальную аппаратуру. Если кран перекрыть, то давление водорода в средней колбе вытеснит кислоту в нижнюю, а затем и в верхнюю колбу. Химическая реакция прекратится.
Упрощенный аппарат для получения газов изображен на рис. 2. Падающие непосредственно на цинк капли кислоты вызывают реакцию выделения водорода.
Водород, полученный из аппарата Киппа, пропускаем через маленькое отверстие (суженный конец) в стеклянной трубке, направленной вверх. Уходящую из трубки струйку газа зажигаем и на пламя насаживаем колпачок, а вернее на сосуд, насухо вытертый. Сразу же на стенках сосуда появятся капельки воды. Это следствие реакции
2Н2О + О2 = 2Н2О
Внимание! Кислород, смешанный в некотором отношении с водородом, горит со взрывом (в этом убедитесь, проделывая опыт). Поэтому советуем зажигать водород не сразу, а только после того, как он вытеснит из аппарата Киппа остатки воздуха. В стеклянную спиральную трубку можно также всыпать опилки меди, которые забирают кислород, проникающий извне в аппарат Киппа. И всё же советуем иметь наготове противопожарные средства.