Илья Леенсон - Удивительная химия

Любопытно, что англоязычные школьники должны давать прямо противоположный ответ на очень похожий вопрос: «Что весит больше: унция золота или унция пуха?» Чтобы понять, в чем туг дело, надо сначала «разобраться» с унцией. По-английски унция — ounce, слово того же происхождения, что и inch (дюйм) — от латинского uncia — «двенадцатая часть» (имеется в виду двенадцатая часть фунта — по тройской системе мер). Делим 373,24 на 12 и получаем 31,1 г (более точно — 31,1035 г). В тройских унциях по традиции измеряют массу драгоценных металлов

в монетах, в том числе и отечественных (юбилейных и памятных). Посмотрите на фотографию гербовой стороны юбилейной монеты, выпущенной к 250-летию Московского государственного университета (рис. 2.2). В правом нижнем углу рядом со знаком Московского монетного двора (ММД) указана масса серебра в граммах, соответствующая одной тройской унции —31,1.

А вот в торговой (коммерческой) системе мер та же унция определяется иначе — как одна шестнадцатая часть торгового фунта, т. е. 28,25 г. Поэтому унция пуха весит меньше, чем унция золота!

К сказанному можно добавить, что общеупотребительное сокращенное название унции (oz) происходит от итальянского названия onza. А какое отношение к унции имеет английский дюйм? Оказывается, он тоже связан с числом 12 следующим соотношением: 1 дюйм = = 12 линий = 2,54 см. Разное же написание (и произношение) объясняется тем, что слово ounce пришло в английский язык из старофранцузского (ипсе), тогда как слово inch — из англосаксонского упсе и потому подверглось более сильному искажению. Русское же слово «дюйм», которое ввел Петр I, происходит от голландского duim — большой палец руки; сейчас это слово осталось только при измерении диаметра труб (стандартная водопроводная труба в доме обычно имеет диаметр полдюйма), а также в словах «трехдюймовая» (пушка) и Дюймовочка в сказке Андерсена.

А теперь попробуйте ответить на такой необычный вопрос: «Что больше: масса 1 кг пуха или масса 1 кг золота?» Правильный ответ может показаться вам совершенно неожиданным: масса килограмма пуха больше! А почему — подумайте сами. (Подсказка: и золото, и пух взвешивали у нас, на Земле, а не где-нибудь на Луне!)

Сейчас практически все ученые, в том числе и химики, пользуются метрической системой мер, в которой массу выражают в килограммах, граммах и миллиграммах. В особых случаях используют еще более мелкие единицы — микрограммы (миллионные доли грамма), а иногда и нанограммы (миллиардные доли грамма).

Вы сами можете изготовить весы и гири к ним, используя самые простые материалы: мягкую алюминиевую проволоку, нитки и легкие пластмассовые баночки (в таких баночках продают варенье, йогурты, творог и т. п.). Устройство весов видно из рисунка (рис. 2.3).

Деревянная (или легкая металлическая) стрелочка-указатель при равновесии располагается строго вдоль нитки, на которой подвешены весы. Если стрелка отклоняется от вертикального положения, надо более легкое коромысло весов утяжелить — намотать на нее немного тонкой медной проволоки, так чтобы стрелка располагалась вертикально. А где взять гири (химики называют их разновесами)?

Раньше с этим было просто: можно было использовать «медные» монеты, которые чеканились в СССР (с небольшими перерывами) с 1926 по 1991 годы; копейка весила ровно 1 г (конечно, если она не очень стерлась), двухкопеечная монета — 2 г, трехкопеечная — 3 г, «пятак» — 5 г. Возможно, в вашей семье сохранились такие монеты, хотя бы несколько штук. Тогда вы можете с их помощью изготовить себе целый набор разновесов, используя алюминиевую проволоку подходящего диаметра и кусачки. Делается это так. В одну чашку кладете копейку, а в другую — кусочек проволоки, который весит больше 1 г. Осторожно откусывая от проволоки маленькие кусочки, добейтесь, чтобы весы пришли в равновесие. Аналогичным образом сделайте две гирьки по 2 г, используя либо старую двухкопеечную монету (такие монеты называли «двушками»; их очень любили, так как с такой монетой можно было позвонить по телефону-автомату), либо современную российскую 10-копеечную монету, которая тоже весит ровно 2 г. К сожалению, масса большинства современных монет «нецелая»; например. 1 копейка весит 1,5 г, 5 копеек — 2,5 г, 1 рубль — 3,3 г. А почему двухграммовых гирек должно быть две? Потому что стандартный набор гирь-разновесов таков: 1, 2, 2, 5, 10, 20, 20, 50, 100. Он позволяет взвесить любой предмет массой от 1 до 210 г (вы можете ограничиться «гирями» по 20 г). Когда вы начнете взвешивать, то сами убедитесь, что такой набор — самый удобный. Теперь для вас не составит труда изготовить «гири» по 5, 10 и 20 г (2 штуки!). Если ваши весы оказались достаточно чувствительными и стрелка заметно отклоняется даже при нагрузке 1 г, попробуйте изготовить гирьки по 0,5 г; как это сделать, подумайте сами. С помощью самодельных весов и гирь мы проведем несколько интересных опытов.

Для более точных измерений химики пользуются аналитическими весами. Когда-то каждый экземпляр аналитических весов изготовлялся мастером вручную и стоили хорошие весы очень дорого. Уже в начале XIX века точность самых лучших весов достигала 0,001 г (или 1 мг). Однако лишь немногие химики могли похвастаться такими весами. Даже знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус имел в молодые годы плохо оборудованную лабораторию с довольно грубыми весами, поэтому для получения надежных результатов он был вынужден повторять один и тот же анализ по 20–30 раз! За 10 лет Берцелиус произвел анализ порядка 2000 соединений, состоящих из 43 элементов. Можно только восхищаться усердием, с каким он проделал эту колоссальную работу. Спустя почти столетие другой знаменитый химик Вильгельм Оствальд, один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии, увидев в музее оборудование, с которым работал Берцелиус, сказал: «Мне стало совершенно ясно, как мало зависит от прибора и как много от человека, который перед ним сидит». Конечно, Оствальд имел в виду не только весы, и его слова остаются во многом справедливы и сегодня.

Со временем весы совершенствовались, и через несколько десятилетий уже каждый химик имел возможность взвешивать на стандартных аналитических весах несколько граммов вещества с точностью до 0,0001 г (рис. 2.4). Такие аналитические весы до сих пор можно встретить во многих лабораториях. Два больших цилиндра над чашками весов, внутри которых с маленьким зазором движутся цилиндры чуть меньшего диаметра, — это демпферы, назначение которых — быстро «успокоить» качание весов.

Гири для аналитических весов должны быть очень точными. Поскольку коррозия может изменить массу гирь на несколько миллиграммов (а это совершенно недопустимо), гири покрывают тонким слоем золота. А чтобы они не пачкались, их разрешается брать при взвешивании только специальным пинцетом. Точное взвешивание на аналитических весах — дело долгое и кропотливое. Даже малейшее движение воздуха в комнате влияет на их показания, поэтому весы помещают в шкафчик со стеклянными дверцами. Для облегчения процедуры взвешивания самые легкие гирьки на таких весах изготовляют в виде тонких проволочных колечек; они подвешены справа вверху на специальном держателе и помещаются в нужное место на коромысло весов с помощью рычажков, которыми можно управлять, вращая пластмассовый черный диск на внешней дверце шкафчика. Такие аналитические весы — очень сложный и капризный механический агрегат. Их коромысло качается на опоре из особо твердого минерала — агата. Таким весам посвящались целые параграфы в учебниках, и аккуратной работе с ними ранее долго обучали студентов. Вот что писала в рекламной брошюре 1940 года фирма «Кристиан Беккер», производившая такие весы: «Простой расчет показывает, что средний химик проводит значительную часть рабочего времени у весов. В лаборатории нередко можно видеть химиков, ожидающих возле весов своей очереди, задерживающих важную работу, чтобы провести необходимое взвешивание. В связи с этим очевидна необходимость в быстро работающих, удобных и точных весах».

Возникла необходимость — и задача была решена. Постепенно эти красивые аналитические весы уходят в прошлое. Недавно в бюллетене Американского химического общества была опубликована заметка, где говорилось, что весы — один из основных инструментов химика, за последнее время потеряли шарм, который в свое время делал их центральным местом лаборатории. И потеряли они его в результате… усовершенствования. Современные аналитические весы настолько удобны в работе, надежны и относительно дешевы, что многие химики как бы перестали их замечать, привыкли к ним. Современные весы — настоящее чудо электронной техники (рис. 2.5). На электронных весах можно взвесить с высокой точностью легкие образцы, стаканчик с раствором и даже тяжелую банку с краской. Обратите внимание: чем легче взвешиваемый предмет, тем больше знаков после запятой выдают весы. Для очень точных измерений электронные весы могут выдавать вес до пятого знака после запятой, т. е. до сотой доли миллиграмма.