Landsberg-1985-T1

ИМИТУЮ В блюдце. дOЖJtИ1'tCЬ, пока ПОДНlIтие воды в промока­

-.. reльной бумarе прекратится (4-5 часов). Измерьте высоту подня­

тия и приблизительно оцените размеры каналов в волокнах бу­

маги.

§ 258. Адсорбция. Явление смачиВ<tНия твердых тел жид·

костяМи убеждает нас в том, что молекулы ЖИДКОСТИ в не­

которых случаях как бы прилипают к твердому телу и более или менее длительно удерживаются на нем. То же может

происходить И с молекулами газа. Твердое тело, находяще­

еся в газе, всегда покрыто слоем молекул газа, некоторое

время удерживаюшихся на нем молекулярными силами.

Это явление носит название адсорбции. Количество адсорби­ рованного газа в разных случаях разное. Прежде всего, оно

зависит от площади поверхности, на которой могут адсор­

бироваться молекулы: чем больше эта поверхность. тем больше адсорбируется газа. Адсорбирующая шшерхность

особенно велика у пористых веществ, т. е. веществ, прони­

занных множеством мелких каналоlЗ. иногда невидимых

даже при помощи микроскопа с большим увеличением.

Количество адсорбированного газа зависит также от приро­ ды газа и от свойств твердого тела.

Одним из примеров веществ, способных адсорбировать громадные количества газа, является активированный

уголь, т. е. уголь, освобожденный от смолистых примесей

прокаливанием. Свойства активированного угля можно

легко наблюдать. Поместим немного угольного порошка *) в пустую пробирку И будем нагревать ее на пламени (рис. 433LУголь будет сильно выделять поглощенные газы. Выде­

ление газов обнаруживается бурным, похожим на кипение

жидкости, движением угольного лорошка. Нальем в колбу несколько капель эфира и дадим ему испариться. Затем насыпем в колбу немного активированного угля и быстро закупорим колбу пробкой С трубкой, присоединенной к

манометру (рис. 434). Лары эфира будут поглощаться углем,

и манометр покажетреакое уменьшение давления.

Адсорбция на активированном угле и на других твердых

телах широко применяется в технике. Она применяется, например, для улавливания ценных газообразных веществ,

получающихся при химических производствах; в медици­

не - для извлечения вредных газов, лолучающихся внутри

организма при разнообразных отравлениях, и т. п. Большое

значение имеет адсорбция газов на поверхности твердых

.~. МожНо 1IЭJnЪ 'МедицинсКий преп8'р8Т иарболеlD 11 растереть его

в мелкий IJGpOШОК•

...2

тел для ускорения некоторых химических реакций между

газами (катализ). ' , Одно из важных применений адсорбции - улавливание

отравляющих газов посредством противогазов. Улавливание

производится слоем активированного угля, помещенным

3 - химические поглотите.1И

ВНУТРИ респираторной коробки противогаза (рис. 435).

Кроме угля, в коробке находятся еще химические поглоти­

тели и фильтр для задержания отравляющих дымов, не за­

держиваемых углем. Применение активированного угля для целей противогазовой обороны было предложено в 1915 г. известным химиком Николаем Дмитриевичем Зелинским

(1861-1953).

Отметим, что твердые тела могут адсорбировать не тол!>:

ко газы, но и различные растворенные веЩества из жидкос-

§ 259. Флотация. Чистая руда почти иикогда не встречается в природе. Почти всегда полезное ископаемое перемешано с «пустой», т. е. ненужной горной породой. Руда, в которой мало полезного ископаемого, называ­ ется бедной. Процесс отделения пустой породы от полезного ископаемого называется обогащением руды. Среди разнообразных способов обога­ щения (главным образом механических) большое значение приобрел

способ, основанный на явлениях смачивання,- флотация (всплыва­

ние). Наибольшее значение она имеет для руд цветных металлов.

Сущность ФЛ'отации состоит в следующем. Раздробленная в мел­ кий порошок руда взбалтывается в воде.. Туда же добавляется не60ЛЬ­

шое количество вещества, обладающего способностью смачивать одну из подлежащих разделению частей (например, крупицы полезного иско­

паемого) и не смачивающеГQ другую часть (крупицы пустой породы)_ Кроме того, д06авляеМ'1е вещество не должно растворяться в воде,

так что вода не будет смачивать поверхность крупицы, покрытую тон-

1640

кой пленкой добавки. Обычно применяют какое-нибудь дешевое масло. В результате перемешивания крупицы полезной руды обволакиваются ТОI!КОЙ пленкой масла, а крупицы пустой породы остаются свободными.

. В то же время в получившуюся кашеобразную смесь вдувается очень

мелкими' пузырьками воздух. ПуЗЫр'Ьки воздуха, пришедшие в сопри­

косновение с крупицей полезной породы, покрытой слоем масла и по­ тому не смачиваемой водой, прилипают к ней. Это происходит потому, что тонкая пленка воды между пузырьками воздуха и не смачиваемой

Рис. 436. Флотация: а) пузырек воздуха приближается к крупинке по­ роды, покрытой пленкой масла; б) тонкая пленка воды между воздухом и крупинкой стягивается, обнажая поверхность крупинки.

ею поверхностью крупицы (рис. 436), стремясь уменьшить свою поверх­ ность, обнажает поверхность крупицы (подобно тому как вода на саль­ нойповерхности собирается в капли, обнажая этим сальную поверх­ IJOCTb). У крупиц полезной руды вместе с прилипшими к ним пузырька­

ми воздуха средняя плотность меньше плотности воды, и они постепен­

но поднимаются кверху, а крупицы пустой породы опускаются вниз. Таким образом происходит более или менее полное отделение пустой

2

•

флотационный реагент (масло), 3 - поступление воздуха, засасываемого винтом, 4 - место, где всплывшая полезная порода отделяется от осе­

дающей пустой породы, 5 - сток пены с полезной породой (концентрат)

породы и получается так называемый концентрат, настолько богатый

полезной рудой, что дальнейшая обработка его становится возможной и выгодной, На рис. 437 показана схема флотационной установки.

484

Обогащение руды посредством флотации можно пояснить таким

опытом. В две пробирки насыпают немного (примерно 0,1 часть объема проБИРIШ) смеси свежераздробленного в порошок каменного угля и

чистого сухого песка (крупинки угля и песка должны быть примерно

одинакового размера, 0,1-0,2 мм). В одну ИЗ пробирок добавляется

капля керосина, после чего пробирки наполняют на 2/3 чистой водой.

Обе пробирки закрывают чистыми -пробками и в течение нескольких

секунд энергично встряхивают с целью образовать внутри них множест­

во пузырьков воздуха~ ПОС.1е этого пробирки оставляют неподвижными. В пробирке со смесью уmя и песка, не смоченной керосином, пузырьки

воздуха поднимаются вверх, в то время как и крупинки угля и крупин­

ки песка оседают вниз. В пробирке, в которой смесь смочена керосином, пузырьки воздуха, поднимаясь вверх, увлекают эа собой крупинки угля, а крупинки песка, так же как и в первой пробирке, оседают вниз. В верх­ ней части пробирки собирается черная пена, а внизу остается песок

(потом, когда пузырьки пены лопнут, уголь тоже осядет вниз).

§ 260. Растворение газов. Кроме адсорбции на поверхности (§ 258), при соприкосновении тел (например, двух жидкос­ тей или газа и жидкости) молекулы каждого из них могут

проникать в объем, занимаемый другим телом. Это проник­ новение носит название растворения. В результате раство·

рения растворенное тело равномерно распределяется по

объему растворителя и только в поверхностном слое в силу

адсорбции концентрация проникшего вещества может быть повышенной. Явление растворения есть результат диффу­ зии (§ 217) по всему объему вещества, адсорбированного

вповерхностном слое.

Рассмотрим сначала растворение газов в жидкостях.

Нальем в стакан воды из водопровода. Мы увидим, что из

воды выделится МНС1жество мельчайших пузырьков, которые

поднимутся вверх или удержатся около стенок стакана.

ОТЕУда взялись эти пузырьки И что в них находится? Это -

газы, которые при повышенном давлении, всегда существую­

щем в водопроводных трубах, были растворены в воде в зна­

чительном количестве. При вытекании воды из крана дав­

лени~ в ней резко уменьшается. Кроме того, вода из водо­ провода в комнате обычно начинает нагреваться, так как воздух в комнате теплее. Эти изменения ведут к тому, что

равновесие между газами, растворенными в воде, и газами

вне ее нарушается и газы начинают выделяться из воды в

виде пузырьков. Обычно это те же газы, которые составля­ ют воздух: кислород, азот, углекислый газ и т. д.

При нагревании воды и особенно при кипячении ее раст­

воренные в.неЙ газы удаляются почти полностью. Присутст­

вие газов в сырой воде и отсутствие их в кипяченой воде являются причиной того, что кипяченая и сырая вода отли­

чаются по вкусу.

485

Набmo;цать растворение воздуха в воде можно при помо­

щи опыта, похожего на опыт с адсорбцией газов углем. Про­

кипятим в течение Heкoтopoг~ времени воду в колбе и дадим ей остыть. Осторожно, не встряхивая колбы, прнсоединим к ней жидкостный манометр. Теперь встряхнем колбу.так,

чтобы большая поверхность воды сразу пришла в сопри­

косновение с воздухом в колбе. Мы увидим, что манометр

покажет заметное .уменьшение давления воздуха в колбе.

Следовательно, часть воздуха поглотилась водой. Однако, после того как мы хороше взболтаем воду, дальнейшее растворение прекратится. Получится, как говорят, Ha~­

щенный раствор.

Как происходит растворение газа в воде? Пусть над во­ дой находится воздух. Тепловое движение молекул iIриво­ дит к тому, что сквозь границу вода - воЗдух проходят и молекулы воды и молекулы воздуха. Проникновение моле­

кул воды в воздух есть не что иное, как испарение; рассмот­

рение этого явления отложим до гл. хуН. Проникновение

молекул газов, tоставляющих воздух, в воду и дальнейшая

диффузия их по всему объему воды - это растворение воз­

духа в воде. Конечно, часть молекул газа, уже проникших

в воду, выходит и~ нее в силу того же теплового движения.

Но пока число молекул газа (например, кислорода) в воде

незначительно, за единицу времени выходит из воды меньше

молекул газа, чем входит в нее из окружающей атмосферы.

Таким образом, чи~о молекул газа в воде продолжает уве­

ЛИЧflваться, т. е. продолжается растворение газа в жидкос­

ти. Когда, наконец, число молекул газа в жидкости станет

так велико, Ч:ГО за единицу времени столько же молекул

газа успевает выйти из воды, сколько в нее проникает, даль­

нейшее увеличение числа молекул газа в воде (дальнейшее растворение) прекратится. Полученный раствор носит на­ звание насыщенного. В таком случае говорят, что жидкость

Здесь слово «равновеси~ употребляется в более общем смысле, чем

в механике. мы говорим, что система «вода, воздух, растворениыli в ней, и воздух над поверхностью воды» находится в равновесии, если

количество растворенного воздуха с течением времени не меняется,

хотя отдельные молекулы то входят, то выходят из раствора. Такое рав­ новесие называют nодвижНblAl ИЛИ динамическим (§ 248). Иногда вместо

слова «равновесиeJt примениют выражение «стационарное СОСТояние».

Масса га;за, которая может раствориться в единице фъе­

ма жидкости, 'fщзывается растворимостью. Она зависит от

температуры'и от парциал!>ного (§ 239) давления данного

газа над, жидкостью. Опыт пока:зывает, что при насыщении

486

1ШJ:са растворенного 8 жидкости газа nponорциОНаАЬна пар­

цuaльно.му давленшо этого газа над жидкостью (закон Ген­

ри). Этим пользуются,- например, при газировании воды.

При газировании вода привод,ится в длительное соприкос­

новение с углекислым газом, имеющим большое давление;

поэтому в воде ра~творяется большое количество углекис­

лого газа. Когда газированную воду наливают в стакЦ.н,

газ выделяется обильными пузырьками.

Явление растворения газов в жидкости имеет большое

значение в водолазном деле. Водолазов, п~обывших дли­ тельное время на большой глубине, нельзя быстро подни­

мать на поверхность воды. Кровь водолаза. дышащего воз­ духом под большим давлением, насыщена азотом (кислород

не следует принимать во внимание, так как он быстро свя­

зывается с кровью химически). При быстром подъеме азот

может выделиться из крови внутри !{ровеносных сосудов в

виде пузырьков и закупорить их, что крайне опасно. Масса газа. растворенного в жидкости, зависит также

от температуры. Мы уже говорили, что, HaгpeBa~ воду", заставляем выделиться растворенный в ней воздух. Расtn80римость газа в жидкости при повышении температуры

т а б л и u а 13. Растворимость в воде некоторых газов

-. ПРИ различных температурах (В г/л)

мости в воде некоторых газов при различных температурах.

Наконец, растворимость. газа зависит от природы жидкости

и газа. Например, кислород растворяется в воде в количест-

. ве примерl!O вдвое большем, чем азот. Это обстоятельство

имеет большое значение для жизни живых организмов

·В воде.

Orметим, что пiзы. могут растворяться также и в твердых телах. fiапример, некоторые металлы способны растворять определенное количество газов (в особенности водорода),' причем скорость диффузии, а следовательно, и растворен,ИЯ

487

увеличивается при повышении температуры. Вследствие

этого такие металлы нельзя считать непроницаемыми для

газов. Так, например. сильно нагретый металл палладий

довольно легко пропускает сквозь себя водород.

§ 261. Взаимное растворение жидкостей. ЕG.ЛИ к чистой во­

де прИJ1ИТЬ чистый спирт, то, перемешав эти жидкости, полу­

чим совершенно однородную жидкость. Явление это имеет

место при любом соотношении масс воды и спирта. Это озна­

чает, что вода и ~пирт растворяются друг в друге в любой пропорции. Не то будет, если мы прильем к воде эфир или

керосин. В этих случаях спустя неко­

ра в в(;ще стей увеличивается. Для некоторых ком­ бинаций жидкостей можно достигну1Ь

такой температуры, при которой они растворяются друг в

друге в .'1юбоЙ пропорции, так что граница между слоя­ ми исчезает и вся жидкость становится однородной.

~ 262. Растворение твердых тел в жидкостях. Хор-ошо из­ secTHO, что если в воду опустить кусок сахара, то через не­

которое время Сахар' исчезнет и получится однородное

вещество (раствор). Сладкий вкус этого раствора показыва­ ет, что молекулы сахара распределились по всему объему 9аствора. Это распределение происходит вследствие моле­

ИУЛ51РНОГО движения (диффузии); его можно значительно

ускорить, если перемешивать раствор.

Растворение твердого вещества в жидкостn по существу

мало чем отличается от растворения жидкости в жидкости.

И в этом случае молекулы растворенного вещества постепен­

но распределяются среди молекул растворителя. Масса растворенного вещества, приходящаяся на единицу оБЪ6\1а растворителя, носит название концентрации раствора. Ве­ щество растворяется в жидкости до некоторой определенной

концентрации, которая завИСит от природы растворителя и растворяемого вещества, а также от температуры.

,438

r л а в а ХУ. СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ПЕРЕХОД ТЕЛ

нз ТВЕ?ДОГО СОСТОЯНИЯ D ЖИДКОЕ

§ 263. Введение. Приступая к изучению твердых тел, преж­

де всего необходимо уточнить понятие твердого тела. Жид­

кости и твердьте тела отличаются от газов, в частности, тем,

что в газах значительные изменения объема сопровождают­ ся возникновением сравнительно небольших сил упругости,

тогда как в твердых и жидких телах малые объемные дефор­

мации связаны с возникновением весьма значительных

упругих сил. В механике мы ввели понятие абсолютно твер­

дого тела (§ 70) и несжимаемой ЖИДКОСТИ (§ 141), чтобы от­

метить возможность пренебрегать деформацией, ограничи­

ваясь лишь учетом упругих сил, сопровождающих эти де-

формации. .

Считая характерным для жидкостей и твердых тел воз­

никновение значительных упругих сил при небольших де­ формациях, мы должны установить различие между жидки­

ми и твердыми телами. Мы отличаем твердые теЛа от жид­

ких тем, что в твердых телах значительные упругие силы

возникают как при небольших изменениях объема (сжатие и растяжение), так и при небольших изменениях формы

(сдвиг), не сопровождающихся изменением объема. В жид­

ко\.. гях же такие сдвиги (изменение формы) не сопровожда­

ются возникновением упругих сил.

Выделив по указанному признаку твердые тела, мы должны обратить внимание на возможность существования

твердых тел в двух существенно различных состояниях,

отлцчающихся своим внутренним строением, что ПРИВРДИТ

к различию многих их свойств. Это - крUсnшллuческое и

шюрфное состояния твердых тел.

За последнее время особое значение приобрели так назы­

ваемые полимеры - тела, молекулы которых состоят из

десятков и сотен тысяч атомов, что обусловливает их особые

свойства, в частности способность к сравните.rrьно большим

деформациям. Полимеры можно рассматривать как особую

разновидность твердых тел.

490

§ 264. !(РИСТ.aJIJlИческие тела. ВООРУЖИМt:Я лупой и внима·

тельно рассмотрим какое-нибудь порошкообразное тело

(соль, сахарный песок, соду. лекарственные порошки й

т. п.). мы увидим, что отдельные крупинки этих порошков

представляют собой тела, ограниченные плоскими, как бы шлифованными гранями. Эти грани образуют между собой

определенные углы, у разных веществ, вообще говоря, раз:.

ные (рис. 439). Наличие таких естественных граней служит

признаком того, что вещество находится в кристаллическом состоянии.

,Иногда телq представляет собой один кристалл. Приме­

ром этого могут служить крупинки сахарного песка. Такие

жет служить кусок са-

хара-рафинада, кусок любого металла и т. п. Такие тела

называют nолuкрuсталлuческш.ш.

. Естественное образование граней на кристалле - толь­

ко один из признаков кристаллического состояния вещест­

ва. Наиболее общим признаком является различие физичес­

ких свойств тела по разным направлениям. Прежде всего

бросается в глаза ноодинэковая механическая прочность в разных направлениях кристалла. Кристаллы легче всего

раска.rIываются по определенным ПЛОСКОСТЯМ. Например,

49.