Удивительная химия, стр. 22
Вот эти правила:
«Если вы откупорили что-либо — закупорьте.
Если в руках у вас жидкое — не разлейте, порошкообразное — не рассыпьте, газообразное — не выпустите наружу.
Если включили — выключите.
Если открыли — закройте.
Если разобрали — соберите.
Если вы не можете собрать — позовите на помощь умельца.
Если вы не разбирали — не вздумайте собирать.
Если вы одолжили что-либо — верните.
Если вы пользуетесь чем-либо — держите в чистоте и порядке.
Если вы привели что-либо в беспорядок — восстановите статус-кво.
Если вы сдвинули что-либо — верните на место.
Если вы хотите воспользоваться чем-либо, принадлежащим другому, попросите разрешения.
Если вы не знаете, как это действует, ради бога, не трогайте.
Если это вас не касается — не вмешивайтесь.
Если не знаете, как это делается, сразу спросите.
Если не можете что-либо понять — почешите в затылке.
Если все же не поймете, то и не пытайтесь.
Если вы горите на работе, постарайтесь, чтобы у вас ничего не загоралось.
Если у вас что-либо взорвалось, проверьте, остались ли вы живы.
Если не усвоили этих правил, не входите в лабораторию».
Ну вот, теперь самое время заняться экспериментом. Помимо весов нам понадобятся самые простые вещи, например, обычная аптечная пипетка.
ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Один из самых великих ученых древности Архимед был родственником царя Гиерона, который правил в городе Сиракузы на острове Сицилия. Как-то царь заказал своему ювелиру изготовить ритуальный золотой венец, который использовался во время жертвоприношений. Чистое золото слишком мягкое, поэтому в золотые изделия дня придания им твердости добавляют определенное количество меди или серебра. Гиерон, подозревая своего ювелира в обмане, поручил Архимеду доказать, что в корону подмешано больше меди, чем следовало. Архимед долго и безуспешно пытался решить эту задачу. Ведь никаких методов химического анализа в те времена еще не существовало. Единственный способ заключался в определении плотности металла, а для этого надо было взвесить корону (что не составляло труда) и определить ее объем — а вот это сделать для предмета неправильной формы не так-то просто! Предание гласит, что решение пришло неожиданно, во время приема ванны: ученый обратил внимание на то. что его тело выплеснуло из ванны часть воды на пол, а само стало весить намного меньше. Значит, об объеме веса тела (причем не обязательно Архимедова!) можно судить по тому, насколько оно потеряет в весе при погружении в воду. Архимед был настолько взволнован этим открытием, что выскочил из ванны и, забыв о том, что он голый, побежал по улицам Сиракуз с радостным криком: «Эврика!» (что в переводе означает «Нашел!»). Так это было или иначе — доподлинно неизвестно, несомненно лишь то, что именно Архимед открыл знаменитый закон, названный впоследствии его именем. После этого задача с короной была быстро решена: Архимед знал плотность чистого золота (по современным данным 19,3 г/см3 — это один из самых тяжелых металлов) и меди (8,96 г/см3). Возможно, при изготовлении короны золото было сплавлено не с чистой медью, а с бронзой — сплавом меди и олова; Архимед, конечно, знал и плотность бронзы. Измерив плотность короны, Архимед вычислил долю золота в сплаве.
Попробуем повторить опыт Архимеда. Конечно, мы возьмем не золотую корону, а что-нибудь попроще, например, старую серебряную ложку. А действительно ли она серебряная? Естественно, если сохранилось клеймо, на котором указана проба серебра, то никаких измерений не потребуется. А если оно не сохранилось или на нем ничего разобрать нельзя даже с помощью лупы? Тут-то и пригодится способ, придуманный Архимедом. Плотность — это отношение массы к объему. Массу ложки легко определить взвешиванием. А как найти ее объем? С помощью тонкой нитки привяжем ложку к одной из чашек весов и взвесим ее. Теперь повторим взвешивание, аккуратно опустив ложку в кастрюлю или большую банку с водой так, чтобы ложка не касалась стенок (подобные измерения плотности проводил еще Роберт Бойль, как это видно из рис. 1.1). В соответствии с законом Архимеда, ложка должна потерять в весе ровно столько, сколько весит вода, вытесненная ложкой. Плотность воды при комнатной температуре почти не отличается от 1,00 г/см3, поэтому разность двух взвешиваний ложки — в воздухе и в воде — как раз и равна объему ложки в кубических сантиметрах. Пусть, например, ложка весила в воздухе 89 г, а в воде — 78 г. Разность дает нам объем ложки — 11 см3. Плотность ложки получается равной 89 г/11 см3 = 8,1 г/см3 (с округлением первого знака после запятой из-за не очень точного взвешивания). Значит, ложка не серебряная (плотность серебра 10,50 г/см3), а скорее всего — стальная. Таким же способом можно отличить и многие другие металлы, например, свинец (плотность 11,3 см3) от олова (плотность 7,29 см3).
Если у кого-нибудь есть дома школьная медаль — «золотая» или «серебряная», можете попробовать таким же способом измерить ее плотность. После этого станет понятно, почему слова, обозначающие достоинства медали, взяты здесь в кавычки. Если таких «сувениров» не отыщется, вот результаты измерений автора.
Медаль № 1. «Золотая» медаль, выданная в 1962 году. Диаметр — 40 мм. На одной стороне — надпись «РСФСР» и соответствующий герб (сейчас уже мало кто помнит, в каком порядке в этой аббревиатуре следуют слова «социалистическая» и «советская»); на другой стороне изображена книга в лавровом венке и надпись «За отличные успехи в учении, труде и за примерное поведение» (ее острословы быстро переиначили: «За тихие успехи и громкое поведение»). Масса медали (взвешивание проводилось в домашних условиях на простых аптекарских весах, которые подвешиваются за колечко на гвоздик) равна 26,46 г в воздухе и 23,48 г — в воде. Отсюда объем медали — 2,98 см3, а плотность — 2,46 г/ 2,98 см3 = 8,88 г/см3 = 8,9 г/см3. Полученное значение очень близко к плотности меди — 8,96 г/см3. Напомним, что золото более чем вдвое тяжелее. Значит, медаль сделана из меди (или медного сплава, например, из латуни или бронзы — сплавов меди с цинком и оловом) и лишь позолочена с поверхности. Как сказали знающие люди, до 1960 года школьные медали действительно были золотыми, 375-й пробы, т. е. золота в них было 37,5 %; теперь же «золотые» медали делают из томпака (это сплав меди с цинком, близкий к латуни, но с меньшим содержанием цинка) и только снаружи покрывают позолотой.
Медаль № 2. «Серебряная» медаль, выданная в 1968 году. Внешне она отличается от предыдущей только цветом. Масса — 24.96 г в воздухе и 22,06 г в воде, объем — 2,90 см3, плотность — 8,61 = 8,6 г/см3. Видимо, это тоже медный сплав; такую плотность имеет, например, сплав, очень близкий к мельхиору: 75 % меди, 20 % никеля и 5 % цинка, а также бронза состава 67 % меди, 33 % олова. А довольно сильное потемнение медали за несколько десятков лет говорит о том, что она, скорее всего, посеребрена (серебро темнеет на воздухе, если в нем есть хотя бы малейшие следы сероводорода, который может выделяться из резины, при варке яиц и т. п.). О серебряном покрытии непосредственно свидетельствует и проба, применяемая ювелирами. Когда на очищенную боковую поверхность медали капнули раствором дихромата калия («хромпика») в серной кислоте, под каплей сразу же появилось характерное красное пятно (легко потом счищаемое) — осадок дихромата серебра красного цвета.
Медаль № 3. «Серебряная» медаль, выданная в 1998 году. Размер у нее такой же, но рисунок другой: на одной стороне — силуэт женщины в лучах солнца, на другой — герб Российской Федерации на символической «сургучной» печати и две надписи: «Россия» и «За особые успехи в учении». Ну а каковы «особые успехи» в составе сплава? Масса медали — 26,50 г в воздухе, 23,50 г в воде, объем — 3,00 см3, плотность -8,83 = 8,8 г/см3. Видно, что за 30 лет медаль немного потяжелела, приблизившись по плотности к «золотой». Но она, конечно, не серебряная, во всяком случае, не из чистого серебра (напомним, что его плотность 10,5 г/см3). И даже не из «монетного сплава», содержащего 90 % серебра и 10 % меди (его плотность 10,3 г/см3). Плотность 8,8 г/см3 имеют, например, сплавы 65 % меди, 18 % никеля и 17 % цинка, или 90 % меди и 10 % олова (бронза), или 96 % меди и 5 % марганца, а также некоторые другие. Проба с тем же раствором не дала с первой попытки положительного результата, только после зачистки небольшого участка на ребре медали на нем под действием реактива появилось красное пятно. Видимо, современные медали после серебрения покрывают каким-то защитным слоем — недаром они не темнеют со временем!