В чем же причина загадочного «постоянства» кислорода, азота и других несжижающихся газов?
Правильный ответ на этот вопрос дал великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Он рассуждал так: когда сжимается какой-нибудь газ, силы молекулярного сцепления помогают сжатию, стараются еще сильнее сблизить молекулы друг с другом. Этому сближению, однако, противится тепловое движение молекул, которое заставляет молекулы рассеиваться во все стороны, вызывает в газе стремление расшириться и занять возможно больший объем.
Если силы сцепления велики, они могут преодолеть стремление газа к расширению, удержать молекулы друг около друга и таким образом создать некоторый порядок в их расположении, характерный для жидкости.
Но когда силы сцепления невелики, тепловое движение молекул не позволит газу превратиться в жидкость, силы сцепления не смогут преодолеть стремления молекул улететь друг от друга возможно дальше. В этом и заключается причина «постоянства» таких газов, как кислород, азот или водород. Встречаем ли мы здесь непреодолимое препятствие, поставленное природой на пути человека? Отнюдь нет!
Для того чтобы превратить в жидкость «постоянные» газы, необходимо лишь сильно охладить их. При понижении температуры скорость движения молекул уменьшается, делается меньше стремление их рассеяться в разные стороны, и сил сцепления оказывается достаточно для сжижения газа.
Д. И. Менделеев указал, что для каждого газа существует определенная температура, выше которой его никаким давлением нельзя превратить в жидкость. При более высокой температуре жидкость существовать не может. Менделеев назвал эту температуру «температурой абсолютного кипения».
В наше время ее называют «критической температурой» вещества.
Критические температуры различных веществ сильно отличаются друг от друга. Так, водяной пар нельзя превратить в воду, если он нагрет выше 374 градусов, кислород же нельзя превратить в жидкость, если он не охлажден до 119 градусов ниже нуля.
Теперь понятно, почему так долго не могли превратить «постоянные» газы в жидкости. Температуры этих газов были выше их критических температур. Когда одновременно со сжатием начали сильно охлаждать газы до температур ниже критической, то все известные газы были превращены в жидкость и само название «постоянные» газы потеряло смысл.
В наше время в школах можно часто видеть голубую подвижную жидкость, налитую в небольшой сосуд с двойными стенками, посеребренными изнутри. Это жидкий воздух. Самый обыкновенный воздух, который окружает нас и которым мы дышим, превращенный в жидкость.
Жидкий воздух и жидкий кислород имеют огромное значение для промышленности. С помощью жидких газов можно получить воздух, обогащенный кислородом, а применение кислородного дутья увеличивает производительность доменных печей больше чем в два раза. Велико значение кислорода при газификации топлива, в частности при подземной газификации углей. Кислород необходим для повышения производительности сернокислотных заводов, для получения крепкой азотной кислоты и т. д.
Большое значение для народного хозяйства имеет сжижение и других газов, например аммиака, хлора, углекислоты.
Если газ достаточно охлажден, то нет необходимости применять для его сжижения особенно большое давление. Так, при критических температурах водород становится жидким уже при давлении в 12,8 атмосферы, кислород — при 50,8 атмосферы.
Чем сильнее охлажден газ, тем меньшее давление требуется для его сжижения. Вспомните, как легко превращается пар в воду на холодных предметах, внесенных в комнату, или на стеклах окна в зимнее время. Незначительное понижение температуры воздуха летней ночью вызывает уже появление росы.
Сжижение газа является ярким доказательством наличия сил молекулярного сцепления.
Жидкости, в основном вода, играют огромную роль в жизни природы, в промышленности и технике, в сельском хозяйстве. Объяснение свойств жидкостей — одна из главнейших задач науки о строении вещества.
II
НА ПУТИ К ПОРЯДКУ
Колыбель жизни
В далекие времена, когда на Земле не было еще ни растений, ни животных, ее поверхность почти сплошь покрывали первичные моря и океаны. Именно в их теплых водах происходило образование сложных органических веществ, приведших к возникновению жизни на Земле.
Видя на каждом шагу, какую огромную роль играет вода в жизни природы и человека, древние народы обожествляли воду.
Значение воды действительно огромно. Она обеспечивает плодородие почвы: участвует в самом процессе ее образования, несет питательные вещества растениям, делает возможным протекание сложных физико-химических и микробиологических процессов, с которыми связана жизнь растений.
Всем известно, каким бедствием для сельского хозяйства может явиться засуха.
В наше время водою покрыто более семи десятых поверхности Земли, что составляет 361 миллион квадратных километров. Если бы всю воду морей и океанов равномерно распределить по поверхности Земли, то она покрыла бы Землю слоем почти в четыре километра толщиною.
Ежегодно с поверхности морей и суши испаряется 511 тысяч кубических километров воды! Попав в более высокие части атмосферы, эта огромная масса водяных паров вновь превращается в воду и падает на Землю в виде дождя, снега или града.
В вечном круговороте вода изменяет облик Земли. Спускающиеся с гор ледники вырывают на склонах глубокие долины и несут в океан огромные камни, куски скал…
Речные потоки ежегодно уносят в моря и океаны около 16 миллиардов тонн твердых материалов или в виде камней, различных обломков, или же в виде растворенных веществ. Попробуйте погрузить все это в товарные вагоны, и вы получите поезд, который тридцать раз опояшет земной экватор.
Унесенные реками обломки камней, песок, глина и прочее оседают на дно и дают начало образованию новых горных пород.
Не будет преувеличением, если мы скажем, что вода — главный природный фактор, определяющий геологические процессы, протекающие на Земле.
И человеческий организм и организм животного больше чем наполовину состоят из воды. Это может показаться неожиданным, но это так. Если животное потеряет всего от одной десятой до одной пятой части той воды, которая содержится в его организме, оно погибнет. Человек может прожить больше месяца без пищи, но умирает через несколько дней без воды.
Огромна роль воды в технике. Это она, превращенная в пар, заставляет работать паровые машины, турбины электростанций; это она, двигаясь по отопительным трубам, несет тепло в наше жилище; это она в виде быстрой струи помогает извлекать торф, намывает плотины; это она необходимый спутник самых разнообразных химических процессов.
Велика роль в жизни человека и других жидкостей. В химической промышленности в подавляющем большинстве случаев приходится иметь дело с жидкостями. Различные сорта нефти, бензины, масла, спирты, кислоты и многие другие вещества, с которыми встречается в своей практике химик, — жидкости.
Еще алхимики, как бы подводя итог своим бесчисленным опытам, утверждали, что «тела не действуют, если они не растворены».
Каково же строение жидкостей, чем их свойства отличаются от свойств газов и как объяснить особенности жидкостей, опираясь на учение об атомах?