История свечи. Гореть, чтобы жить
Бывают такие своеобразные виды пламени, что без некоторого хитроумия и умения подмечать тонкие различия невозможно определить, какой тут наблюдается тип горения. Возьмем, например, вот этот порошок. Он очень горючий; он состоит из массы отдельных зернышек. Порошок этот называется ликоподий[16].
Каждая из его пылинок может дать пары и вспыхнуть отдельным огоньком. Сейчас я зажгу немножко ликоподия, и вы увидите, что произойдет… Мы увидели целое облако пламени, как будто единое, нераздельное; однако это потрескивание (лектор обращает внимание на звук, возникающий при горении) доказывает, что сгорание было не непрерывным и не равномерным. Это и есть искусственная молния, которую вы видели в пантомимах, и надо сказать, что она очень хорошо имитирует настоящую. (Лектор дважды проделывает этот опыт, продувая ликоподий из стеклянной трубки сквозь пламя спиртовки.) Это пример горения, отличающийся от горения опилок, к которым мы еще вернемся.
Возьму теперь свечу и буду исследовать ту часть ее пламени, которая на глаз кажется самой яркой. Оказывается, там-то я и нахожу черные частицы, возникновение которых из пламени вы уже несколько раз наблюдали; сейчас я добуду их иначе. Вот я очищаю свечу от наплывов воска, получившихся из-за ветра. Теперь я беру стеклянную трубочку, которой мы уже пользовались в одном из предыдущих опытов, и вставляю ее в пламя, но на этот раз повыше, так, чтобы ее кончик был едва погружен в яркую часть пламени. Вы видите, каков результат: вместо белых паров, которые получались раньше, теперь из трубочки выходит копоть, черная как чернила. Безусловно, это нечто совершенно иное, чем те белые пары; поднесем к концу трубочки горящую лучинку, и мы увидим, что выходящие пары и сами не горят и лучинку гасят. Так вот, эти частицы, как я уже и раньше вам говорил, это всего-навсего копоть свечи. Недаром Свифт советовал лентяям развлекаться, расписывая на потолке узоры с помощью свечи. Так что же это за черное вещество? Это тот же самый углерод, который имеется в свече. Как же он возникает из свечи? Очевидно, он был в свече, ведь откуда бы ему взяться иначе?
Теперь слушайте внимательно и следите за ходом моего объяснения. Вам вряд ли приходило в голову, что вещество, летающее в лондонском воздухе в виде частиц копоти и сажи, это как раз то, что придает самую красоту и жизнь пламени, в котором оно сгорает точно так же, как у нас сгорали железные опилки. Вот тонкая проволочная сетка, не пропускающая пламени. Я думаю, вам почти сразу будет видно, что когда я ее опущу на пламя таким образом, чтобы она касалась той его части, которая обычно бывает самой яркой, сетка придавит пламя, и пламя начнет коптить.
Теперь мне нужно, чтобы вы поняли следующий пункт моего рассуждения. Всякий раз, когда какое-нибудь вещество горит так, как горели железные опилки в пламени пороха, т. е. не переходя в парообразное состояние, а либо становясь жидким, либо оставаясь твердым телом, оно чрезвычайно ярко светится. Чтобы наглядно доказать вам это, я отвлекусь от свечи и приведу несколько других примеров. Ведь то, что я вам должен рассказать, применимо ко всем веществам, горючим и не горючим, они интенсивно светятся, если остаются в твердом состоянии; именно присутствием твердых частиц в пламени свечи и объясняется ее яркий свет.
Вот платиновая проволочка – тело, которое от нагревания не изменяется. Я ее раскалю на этом пламени: смотрите, до чего она ярко светится. Я сделаю пламя малосветящимся, и хотя платиновая проволочка получит от него мало тепла, вы все же увидите, что этого нагрева будет достаточно, чтобы довести накал проволочки до гораздо большей яркости, чем яркость самого пламени. В этом пламени содержится углерод; а теперь я возьму такое пламя, в котором углерода нет.
Вот в этом сосуде находится некое горючее вещество. Пока назовите его парами или газом, как хотите, в котором нет твердых частиц; поэтому я и беру его как пример пламени, горящего без всякого твердого вещества. Когда я введу в это пламя твердое тело, вы увидите, до чего пламя жаркое и как ослепительно оно заставляет светиться это твердое тело. Вот трубка, через которую подается особый газ, называемый водородом; о нем вы все узнаете на следующей лекции. А вот здесь вещество, называемое кислородом, при помощи которого водород может гореть; в результате их смешения мы получаем несравненно более высокую температуру, чем от пламени свечи. Если же поместить в это пламя какое-нибудь твердое вещество, получается свет.
Возьмем кусок извести – вещества, которое не горит и не испаряется при высокой температуре (а не испаряясь, остается твердым и раскаленным). Сейчас вы сможете наблюдать, как известь будет светиться. Сжигая водород в кислороде, получаем очень высокую температуру; пока еще света очень мало не из-за того, что мало тепла, а из-за отсутствия твердых частиц, но вот я держу этот кусочек извести в кислородно-водородном пламени: смотрите, как он ослепительно светится! Это и есть прославленный «друммондов свет», соперничающий со светом вольтовой дуги и почти равный солнечному свету[17].
А вот здесь у меня кусочек углерода, или древесного угля, который будет гореть и давать нам свет точно так же, как если бы этот углерод сгорал в качестве составной части свечи. Высокая температура пламени свечи разлагает пары воска и высвобождает частицы углерода; они поднимаются вверх, раскаленные и светящиеся, как светится сейчас вот этот кусочек, а затем уходят в воздух. Но эти частицы, сгорев, никогда не уходят из пламени в форме углерода: нет, они переходят в воздух в виде совершенно невидимого вещества, о котором мы поговорим в дальнейшем.
Подумайте, как прекрасен этот процесс, при котором такое невзрачное вещество, как уголь, делается таким сияющим! Вы видите, что дело здесь сводится к следующему: всякое яркое пламя содержит эти твердые частицы; и все то, что горит и дает твердые частицы, будь то во время горения, как это происходит в пламени свечи, будь то непосредственно после горения, как в примере с порохом и железными опилками, все это дает нам прекрасный свет.
Сейчас я вам это проиллюстрирую. Во-первых, вот кусочек фосфора, которому свойственно гореть ярким пламенем. Из этого мы теперь можем сделать вывод, что фосфор обязательно дает такие твердые частицы либо в момент самого горения, либо после него. Вот фосфор зажжен, и я накрываю его стеклянным колпаком, чтобы не дать улетучиться тому, что получится в результате горения. Что это за клубы дыма? Этот дым состоит как раз из тех частиц, которые получаются от горения фосфора.
Далее, вот два вещества бертолетова соль и сернистая сурьма. Я их слегка перемешаю, и тогда их можно будет сжечь различными способами. Чтобы показать вам образчик того, что такое химическая реакция, я капну на них серной кислоты, и они мгновенно вспыхнут. (Лектор поджигает смесь серной кислотой.) Теперь по внешнему виду этого явления вы можете сами судить, получается ли при горении твердое вещество. Я вам указал и ход рассуждения, который приведет вас к ответу на этот вопрос, положительному или отрицательному: ведь что же представляет собой это яркое пламя, как не выделяющиеся твердые раскаленные частицы?
Вот тут у мистера Андерсона накаленный в печи тигелек. Я сейчас брошу в него цинковых опилок, и они будут гореть таким пламенем, как у нас горел порох. Этот опыт вы можете сделать дома. А теперь мне нужно, чтобы вы посмотрели, каков будет результат сгорания цинка. Вот он горит. И прекрасно горит, можно сказать, как свеча. Но что это за клубы дыма? И что это за облачка, похожие на клочки шерсти, разлетающиеся по всей аудитории и дающие вам знать о себе, не дожидаясь, чтобы вы подошли ко мне их рассмотреть? В старину их называли «философской шерстью». Некоторое количество этого пушистого вещества у нас останется и в тигле.
Для следующего опыта я возьму тот же цинк, но не в опилках, а кусочком, чтобы продукты горения не разлетались по всему залу. Вы увидите, что, по существу, будет происходить то же самое. Вот кусочек цинка, вот горелка (лектор указывает на водородное пламя), и теперь мы примемся за дело, постараемся сжечь этот металл. Вы видите, что он светится: стало быть, происходит горение; а вот и белое вещество, в которое, сгорая, превращается цинк. Итак, если я буду считать это водородное пламя подобием пламени свечи и покажу вам какое-нибудь вещество вроде цинка горящим в водородном пламени, вы убедитесь, что это вещество светится только во время горения, т. е. пока оно накалено. Вот я беру белое вещество, получившееся от сгорания цинка, и помещаю его в водородное пламя. Смотрите, как оно чудно светится и именно потому, что это твердое вещество.
Вернусь теперь к тому пламени, какое мы рассматривали раньше, и выделю из него частицы углерода. Возьмем камфару, которой свойственно гореть коптящим пламенем. Но если я через эту трубочку проведу частицы копоти в водородное пламя, вы увидите, что они будут сгорать и испускать свет, так как мы их нагреем вторично. Вот, смотрите. Здесь частицы углерода, зажженные вторично. Это те самые частицы сажи, которые хорошо были видны на фоне белой бумаги. Теперь же, оказавшись в жарком пламени водорода, они воспламеняются и поэтому дают такой яркий свет. Если же частицы не выделяются, пламя у нас получается несветящимся. Пламя светильного газа дает такой яркий свет именно благодаря тому, что во время горения из этого газа образуются частицы углерода, которые присутствуют в его пламени, точно так же, как и в пламени свечи.
Яркость пламени можно очень быстро изменить. Вот, например, яркое газовое пламя. Если я буду подводить столько воздуха к пламени, чтобы газ полностью сгорал, прежде чем успеют выделиться эти частицы, у меня такой яркости не получится.
Устроить это можно вот как. На горелку я надеваю колпачок из тонкой проволочной сетки, а затем зажигаю газ над колпачком; видите, газ горит несветящимся пламенем, так как перед сгоранием с газом смешивается достаточное количество воздуха. Если же я подниму сетчатый колпачок, то под ним, как вы видите, газ не горит. Углерода в этом газе вполне достаточно; однако вы видите, каким бледным, голубоватым пламенем горит он там, где к нему обеспечен доступ воздуха, и они могут смешаться перед сгоранием. Такой голубоватый оттенок получается и в том случае, если я буду дуть на яркое газовое пламя так, чтобы сжигать весь этот углерод до того, как он успеет раскалиться. (Лектор иллюстрирует свои слова на опыте, дуя на газовую горелку.) Единственная причина, почему от такого дутья пламя теряет яркость, заключается в том, что углерод смешивается с достаточным количеством воздуха для его сгорания, прежде чем он в пламени выделится в свободном состоянии. Вся разница в цвете пламени происходит исключительно от того, что твердые частицы не успевают выделиться, прежде чем газ сгорает.
Итак, вы убедились на опыте, что при сгорании свечи получаются некоторые вещества и что в числе этих продуктов сгорания находится уголь, т. е. сажа. Этот уголь, сгорая, дает некий другой продукт; теперь мы займемся выяснением, что это за другой продукт горения. Мы видели, как что-то улетучивалось и исчезало. Теперь мне нужно, чтобы вы поняли, сколько вещества улетает в воздух, а для этой цели мы устроим горение в несколько большем масштабе. Вот от этой свечи поднимается нагретый воздух. Двух-трех опытов будет достаточно, чтобы показать вам восходящий ток газа. Но чтобы дать представление о количестве вещества, которое таким образом летит вверх, я сейчас проделаю еще один опыт и постараюсь уловить часть получающихся продуктов горения. Для этого у меня есть детский воздушный шар: сейчас я им воспользуюсь только как своего рода меркой для тех продуктов горения, которыми мы в данный момент занимаемся. А пламя я устрою простое, такое, чтобы оно наилучшим образом соответствовало поставленной мною цели.
Вот эта тарелка будет представлять собой, так сказать, «чашечку» свечи; горючее – спирт, налитый в тарелку; над ним я помещу эту трубу для тяги; такое устройство лучше, чем если бы я предоставил это дело случаю. Сейчас мой помощник зажжет горючее, а здесь, у верхушки трубы, мы будем улавливать продукты горения. То, что мы получаем у верхушки трубы, это, вообще говоря, то же самое, что получается при сгорании свечи; но здесь пламя не светящееся, так как мы взяли вещество, бедное углеродом. Запускать шар я сейчас не собираюсь, моя цель не в этом, а я его сюда прилажу, чтобы показать вам результат действия веществ, поднимающихся как от свечи, так и от этого пламени в вытяжной трубе. (К верхнему отверстию трубы приставляется горловина шара, и он сразу начинает наполняться.)
Иллюстрация опыта. Воздушный шар, тарелка, горючее (спирт), налитый в тарелку, сверху труба для тяги. После поджигания горючего можно уловить продукты горения у верхушки трубы
Вы видите, как шар рвется кверху, но отпустить его нельзя: ведь он, пожалуй, может наткнуться на газовые лампы вон там, наверху, а это было бы очень некстати. (По просьбе слушателей гасят верхние лампы, лектор отпускает шар, и тот улетает вверх.)
Ну вот, разве это не доказывает вам, какой значительный объем вещества получается при горении? А теперь смотрите (лектор помещает над свечой широкую стеклянную трубку): через эту трубку проходят все продукты горения этой свечи, и вы сейчас увидите, что трубка совсем помутнеет. Я беру горящую свечу, накрываю ее банкой и, чтобы вам было видно происходящее, освещаю ее с противоположной от вас стороны. Как видите, стенки банки затуманиваются и свет слабеет.
Именно продукты сгорания и заставляют свет меркнуть, и от них же и мутнеют стенки банки. Если вы, придя домой, возьмете ложку, которая лежала на холоде, и подержите ее над пламенем свечи (только так, чтобы ложка не закоптела), вы увидите, что она запотеет, как эта банка. Еще лучше удастся опыт, если вы сумеете раздобыть для него серебряное блюдо или что-нибудь вроде этого. А теперь, чтобы заранее подготовить вас к нашей следующей встрече, скажу вам, что это помутнение получается от воды. На следующей лекции я покажу вам, что ее нетрудно будет получить в жидком виде.
Лекция III
Продукты горения. Вода, образующаяся при горении. Природа воды. Сложное вещество. Водород
Надеюсь, вы хорошо помните, что в конце прошлой лекции я использовал выражение «продукты горения свечи». Ведь мы убедились, что когда горит свеча, мы можем при помощи соответствующих приборов получить из нее разнообразные продукты горения. Во-первых, у нас оказался уголь, или копоть, которая не получалась, когда свеча горела хорошо; во-вторых, было какое-то другое вещество, которое имело вид не дыма, а чего-то другого, но составляло часть того общего потока, который, восходя от пламени, становится невидимым и исчезает. Были там также и другие продукты горения, о которых должна была идти речь дальше. Мы ведь, помните, обнаружили, что в составе струи, восходящей от свечи, одну часть можно сконденсировать, поставив на ее пути холодную ложку, чистую тарелку или любой другой холодный предмет, другая же часть не конденсируется. Сперва мы исследуем конденсирующуюся часть продуктов; как это ни странно, мы найдем, что это всего-навсего вода. Прошлый раз я об этом упомянул мельком, только сказал, что среди поддающихся конденсации продуктов сгорания свечи есть и вода. Сегодня же я хочу привлечь ваше внимание как раз к воде, чтобы вы могли ее тщательно исследовать не только в связи с нашей основной темой, но также и вообще, в связи с вопросом о ее существовании на земном шаре.
Сейчас у меня все готово для опыта по конденсации воды из продуктов горения свечи, и я прежде всего постараюсь доказать вам, что это действительно вода. Пожалуй, лучший способ показать ее присутствие сразу всей аудитории – это продемонстрировать какое-нибудь действие воды, которое было бы ясно видно, а затем испытать таким образом то, что соберется в каплю на дне вот этой чашечки. (Лектор подставляет свечу под чашечку со смесью льда и соли.)
Здесь у меня некое вещество, открытое сэром Гэмфри Дэви; оно очень энергично реагирует с водой, и я этим воспользуюсь, чтобы доказать наличие воды. Это калий, добываемый из поташа. Я беру маленький кусочек калия и бросаю его в эту чашку. Вы видите, как он доказывает наличие воды в чашке: калий вспыхивает, горит ярким, сильным пламенем и при этом бегает по поверхности воды. Теперь я уберу свечу, которая некоторое время горела у нас под чашечкой со смесью льда и соли; вы видите, что со дна чашечки свисает капля воды сконденсированного продукта горения свечи. Я покажу вам, что калий даст с этой водой такую же реакцию, как с водой в чашке. Смотрите… Калий вспыхивает и горит совершенно так же, как в предыдущем опыте. Другую каплю воды я улавливаю на это стекло, кладу на нее кусочек калия, и по тому, как он загорается, вы можете судить о том, что здесь присутствует именно вода. А вы помните, что эта вода возникла из свечи.
Точно так же, если я накрою вот той банкой зажженную спиртовку, вы скоро увидите, как банка запотеет от осаждающейся на ней росы, а эта роса опять-таки есть результат горения. По каплям, которые будут капать на подостланную бумагу, вы, без сомнения, через некоторое время увидите, что от горения спиртовки получается изрядное количество воды. Я не буду сдвигать эту банку, и вы потом сможете посмотреть, сколько воды накопится. Подобным же образом, поместив охлаждающее устройство над газовой горелкой, я также получу воду, потому что вода образуется и при горении газа. В этой банке собрано некоторое количество воды идеально чистой, дистиллированной воды, полученной при горении светильного газа; она ничем не отличается от воды, какую вы могли бы добыть путем перегонки из речной, океанской или ключевой – это в точности такая же вода.
Вода – химический индивид, она всегда одинакова. Мы можем подмешать к ней посторонние вещества или удалить из нее содержащиеся в ней примеси; однако вода как таковая остается всегда собой, твердой, жидкой или газообразной. Вот здесь (лектор показывает другой сосуд) вода, полученная при горении масляной лампы. Из масла, если его надлежащим образом сжигать, можно получить даже несколько большее по объему количество воды. А вот здесь вода, добытая из восковой свечи путем довольно длительного опыта. И так мы можем перебрать одно за другим почти все горючие вещества и убедиться, что если они, как свеча, дают пламя, то при их сгорании получается вода. Такие опыты вы можете проделать сами. Для начала очень хороша рукоятка кочерги[18], если ее удастся достаточно долго продержать над пламенем свечи так, чтобы она оставалась холодной, вы сможете добиться, чтобы на ней каплями осела вода. Для этого годится и ложка, и поварешка, и вообще любой предмет, лишь бы он был чистым и обладал достаточной теплопроводностью, т. е. чтобы он мог отводить тепло и, таким образом, конденсировать пары воды.
Теперь, если уж вдаваться в то, как происходит это удивительное выделение воды из горючих материалов в процессе их горения, я должен прежде всего рассказать, что вода может существовать в различных состояниях. Правда, вы уже знакомы со всеми видоизменениями воды, но тем не менее нам сейчас необходимо уделить им некоторое внимание для того, чтобы мы могли осознать, каким образом вода, претерпевая, подобно Протею[19], свои многообразные изменения, остается всегда одним и тем же веществом все равно, получена ли она из свечи при ее сгорании, или же из рек или океана.
Начнем с того, что в наиболее холодном состоянии вода представляет собой лед. Однако мы с вами как естествоиспытатели (ведь я надеюсь, нас с вами можно объединить под этим названием), говоря о воде, называем ее водой, все равно, находится ли она в твердом, жидком или газообразном состоянии; в химическом смысле это всегда вода. Вода есть соединение двух веществ, одно из которых мы получали из свечи, а второе нам предстоит найти вне ее.
Вода может встречаться в виде льда, и за последнее время вы имели прекрасную возможность убедиться в этом. Лед превращается обратно в воду при повышении температуры. В прошлое воскресенье мы видели яркий пример этого превращения, которое привело к печальным, последствиям в некоторых наших домах[20].
Вода в свою. очередь превращается в пар, если ее достаточно нагреть. Та вода, которую вы видите здесь перед собой, обладает наибольшей плотностью[21], и хотя она меняется по весу, по состоянию, по форме и многим другим свойствам, она продолжает оставаться водой. При этом, будем ли мы превращать ее в лед путем охлаждения или же в пар путем нагревания, вода по-разному увеличивается в объеме: в первом случае очень незначительно и с большой силой, а во втором изменение объема велико.
Например, я беру этот тонкостенный жестяной цилиндр и наливаю в него немножко воды. Вы видели, как мало я налил, и можете без труда самостоятельно сообразить, какова будет высота воды в этом сосуде: вода покроет дно слоем приблизительно в два дюйма. Теперь я собираюсь превратить эту воду в пар, чтобы показать вам разницу в объеме, занимаемом водой в ее различных состояниях воды и пара.
Пока разберем, что происходит при превращении воды в лед. Это можно осуществить, охлаждая ее в смеси толченого льда с солью[22], и я это проделаю, чтобы показать вам расширение воды при этом превращении в нечто, обладающее большим объемом. Вот эти чугунные бутылки (показывает одну из них) очень прочные и очень толстостенные: их толщина примерно треть дюйма. Их очень аккуратно наполнили водой, не оставив в них ни пузырька воздуха, и затем плотно завинтили. Когда мы заморозим воду в этих чугунных сосудах, мы увидим, что они не смогут вместить получившийся лед. Происходящее внутри них расширение разорвет их на куски. Вот это обломки точно таких же бутылок. Наши две бутылки я кладу в смесь льда и соли, и вы убедитесь, что при замерзании вода изменяется в объеме с такой большой силой.
А теперь давайте посмотрим на изменения, происшедшие с той водой, которую мы поставили кипятиться; она, оказывается, перестает быть жидкостью. Об этом можно судить по следующим обстоятельствам. Я прикрыл часовым стеклом горлышко колбы, в которой сейчас кипит вода. Видите, что происходит? Стеклышко вовсю стучит, как будто клапан в машине, потому что пар, поднимающийся от кипящей воды, с силой вырывается наружу и заставляет этот «клапан» подпрыгивать. Вы без труда можете сообразить, что колба целиком заполнена паром, ведь иначе он не стал бы прокладывать себе дорогу силой. Вы видите также, что в колбе содержится какое-то вещество, значительно большее по объему, чем вода, ведь оно не только наполняет всю колбу, но, как видите, и улетает в воздух. Однако вы не наблюдаете существенной убыли в количестве оставшейся воды, и это вам показывает, сколь велико изменение объема при превращении воды в пар.
Вернемся опять к нашим чугунным бутылкам с водой, которые я положил вот в эту охлаждающую смесь, чтобы вы могли наблюдать, что с ними произойдет. Как вы видите, между водой в бутылках и льдом во внешнем сосуде сообщения нет. Но между ними происходит перенос тепла, так что если опыт удастся (ведь мы его проводим в очень большой спешке), вы через некоторое время, как только холод завладеет бутылками и их содержимым, услышите взрыв: это лопнет какая-нибудь из бутылок. И, осмотрев затем бутылки, мы обнаружим, что их содержимое представляет собой куски льда, частично покрытые чугунной скорлупой, которая оказалась для них слишком тесной, потому что лед занимает больше места, чем вода, из которой он получился. Вы прекрасно знаете, что лед на воде плавает; если зимой под мальчиком подламывается лед, и он проваливается в воду, он пытается выкарабкаться на льдину, которая его поддержит. Почему же лед плавает? Подумайте, и вы, наверно, найдете объяснение: лед по объему больше, чем та вода, из которой он получается; поэтому лед легче, а вода тяжелее.
Вернемся теперь к действию тепла на воду. Посмотрите, какая струя пара выходит из этого жестяного цилиндра! Очевидно, пар его целиком заполняет, раз он оттуда так валит. Но если посредством тепла мы можем превращать воду в пар, то посредством холода мы можем вернуть пар в состояние жидкости. Возьмем стакан или любой другой холодный предмет и подержим его над этой струей пара: смотрите, как он быстро запотевает! Пока стакан не согреется, он будет продолжать конденсировать пар в воду вот она уже стекает по его стенкам.
Я покажу вам еще один опыт с конденсацией воды из парообразного состояния обратно в жидкое. Вы уже видели, что один из продуктов горения свечи водяной пар. Мы получали его в жидком виде, заставляя оседать на дне чашечки с охлаждающей смесью. Чтобы показать вам неизбежность таких переходов, я завинчу горлышко этого жестяного цилиндра, который теперь, как вы видели, наполнен паром. Посмотрим, что произойдет, когда мы охладим цилиндр снаружи и этим заставим водяной пар вернуться в жидкое состояние. (Лектор обливает цилиндр холодной водой, и тотчас же его стенки вдавливаются внутрь.) Вот видите, что получилось.