За гранью видимого

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ

      Почему через коробку противогаза свободно проходит воздух, а ядовитые пары и газы в ней задерживаются? Как отделить ценную руду от ненужной породы? Почему в районах больших промышленных городов туманы возникают особенно часто? Известно, что в военное время в целях лучшей светомаскировки применяют электрические лампочки, окрашенные в синий, а не красный цвет,— чем это объясняется? Как образуются маскирующие дымовые завесы? Почему черствеет хлеб? Почему под старость у человека появляются морщины? На эти и многие другие вопросы помогает ответить наука о коллоидах. С этой интересной областью естествознания мы и знакомим здесь читателя.
      Наука о коллоидах еще очень молода. Ей всего около восьмидесяти лет. Но уже за этот небольшой срок своей жизни она во многом изменила наши прежние представления о самых различных явлениях в природе и технике, позволила правильно их понять и объяснить.
      Говорить подробно о коллоидах — это значит говорить почти обо всем, что нас окружает. Поэтому в нашей книжке мы расскажем лишь о немногих, хорошо знакомых читателю коллоидах и познакомим его с самыми важными и интересными их свойствами.
     
      1. НЕОБЫЧНЫЕ РАСТВОРЫ
     
      Всыпьте в стакан ложку сахарного песку, налейте в него холодной воды и оставьте спокойно стоять. Вы заметите, что отдельные крупинки сахара становятся все меньше и меньше, они «тают», как часто неверно говорят в обыденной жизни. Заметить на глаз какие-нибудь изменения, происходящие при этом в воде, нельзя. Но достаточно слегка качнуть стакан, чтобы увидеть, как со дна поднимаются густые бесцветные струи раствора сахара.
      Что же происходит при растворении сахара?
      Вода окружает каждую крупинку и как бы смывает с ее поверхности мельчайшие частицы — молекулы сахара. В то время как в нижних слоях воды скапливается много таких молекул, в верхние слои успевают проникнуть лишь немногие. Надо ждать несколько дней и даже недель (если температура воды невысока), прежде чем весь сахар растворится и его молекулы сами собой равномерно распределятся по всему стакану.
      Но этот процесс легко ускорить: стоит только взять горячую воду и хорошо перемешать в ней сахар. В этом случае через одну — две минуты мы получим совершенно однородный раствор. Он прозрачен и бесцветен, и только сладкий вкус раствора говорит о том, что это не чистая вода. Даже самый сильный микроскоп не поможет нам увидеть отдельные молекулы сахара в растворе — настолько они малы. Отделить сахар от воды невозможно ни фильтрованием, ни другими механическими приемами.
      Такие растворы, в которых растворенное вещество раздроблено до отдельных молекул, называют истинными растворами.
      Перельем раствор сахара в чистую бутылку и плотно закупорим ее. В таком виде раствор можно хранить сколь угодно долго. Но если раствор оставить в открытом стакане, то со временем явления пройдут в обратном порядке: когда испарится некоторое количество воды, отдельные молекулы сахара станут объединяться в мельчайшие кристаллики и выделяться из раствора; кристаллы будут расти и опускаться на дно.
      Не будем дожидаться полного испарения воды и осторожно сольем с выпавших кристаллов жидкость. Если в сахаре были какие-нибудь загрязнения, они уйдут вместе с жидкостью, и поэтому после высушивания кристаллы сахара окажутся гораздо чище, чем были.
      Таким же образом можно очистить соль, соду и множество других веществ, которые дают истинные растворы. При выпаривании раствора эти вещества легко выделяются в виде чистых кристаллов, или, как говорят, выкристаллизовываются.
      Люди уже около тысячи лет пользуются таким способом для очистки различных веществ. А ведь уметь получать чистые вещества очень важно. Только в том случае, если в руках ученого имеется «химически чистое» вещество, он может с уверенностью говорить о его свойствах. Даже ничтожно малая доля примесей иногда очень сильно изменяет свойства вещества. Возьмем, например, воду. Совершенно чистая вода прозрачна, бесцветна, не имеет вкуса и не проводит электрического тока. Но прибавьте к стакану воды каплю молока, и вода станет мутной. Капля чернил окрашивает воду, крупинка хинина придает ей горький вкус, а сахарина — сладкий. Вода, в которой растворено небольшое количество соли, кислоты или щелочи, становится проводником электрического тока. Вот почему, прежде чём изучать какое-либо вещество, его тщательно освобождают от примесей. Чаще всего его получают чистым в виде кристаллов из раствора.
      Но, оказывается, не всякое вещество можно выделить из раствора в виде кристаллов. Когда практика столкнула химиков с веществами животного и растительного происхождения, то здесь начались неприятности. Клей, желатина, крахмал, белок упорно противились всем попыткам исследователей получить их в кристаллическом виде.
      Приготовьте раствор столярного клея или крахмала — и вы убедитесь в этом. Прежде всего кусочек клея, положенный в воду, вовсе не уменьшается в своих размерах, как кусок сахара или соли, а наоборот, начнет вбирать в себя воду, разбухать и размягчаться. Затем при нагревании и перемешивании он быстро перейдет в раствор. Если оставить раствор клея в покое, то никаких кристаллов не образуется. Раствор постепенно теряет текучесть, становится все более и более вязким и вскоре превращается в студень.
      Долгое время такие вещества оставались неизученными. Только в шестидесятых годах прошлого столетия ученые начали их подробное исследование. Результаты были неожиданными. Клееподобных веществ нашлось так много, поведение их оказалось настолько своеобразным и интересным, а свойства — настолько важными для практической жизни, что возникла новая наука, посвященная изучению этих веществ, — коллоидная химия («колла» по-латински — клей, а «коллоид» — клееподобный).
      Название «коллоидная химия» теперь уже несколько устарело: оно не отображает полностью содержания науки, изучающей коллоиды. На уровне современного развития коллоидная химия занимается изучением не только клееподобных и близких к ним по свойствам веществ. Она включает в себя, как увидим в дальнейшем, бесконечные в своем разнообразии системы, имеющие огромную поверхность раздела между образующими их веществами. Она изучает так же весьма своеобразные свойства поверхностных слоев, возникающих на границах соприкосновения раздробленных веществ. Современная коллоидная химия таким образом вышла из рамок, определяемых ее названием. Современная коллоидная химия решает чисто физических проблем не меньше, чем химических. Она имеет важное значение в военном деле.
     
      2. КОЛЛОИДНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
     
      Мы говорим, что раствор соли или сахара — истинный раствор, а раствор клея или крахмала — коллоидный. Но чем же отличаются эти растворы друг от друга? Этот вопрос пытался разрешить в шестидесятых годах прошлого века английский химик Грэм. Он поставил весьма простые опыты, которые каждый из вас легко может повторить.
      Обрежьте дно у банки и крепко обвяжите ее горлышко куском пергамента, бычачьего пузыря или целлофана. Налейте в банку немного раствора сахара и опустите ее в чашку с чистой водой так, как это показано на рисунке 1. Через некоторое время вода в чашке станет сладкой. Значит, молекулы сахара легко проникают, диффундируют через мельчайшие, невидимые глазу поры пергамента, пузыря или целлофана. Такие перепонки, или, как их называют, мембраны, не являются для молекул сахара преградой.
      Теперь проделайте такой же опыт с раствором столярного клея. Вода в чашке останется чистой. Но если вы посолите воду в чашке, клей в банке вскоре станет соленым.
      О чем говорят эти простые опыты? Если молекулы сахара и соли свободно проникают через мембрану, а коллоид задерживается ею, то, значит, молекулы коллоида крупнее «обычных» молекул.
      Именно так и думал Грэм. Пользуясь мембранами как ситом, он «отсортировал» вещества с крупными молекулами от веществ с мелкими молекулами и разделил все встречающиеся в природе вещества на два особых «мира». К первому миру он причислил вещества, состоящие из маленьких молекул. Они давали совершенно прозрачные стойкие растворы, легко кристаллизовались и свободно проходили через мембраны. Эти вещества были названы кристаллоидами. А ко второй группе Грэм отнес вещества с крупными молекулами — коллоиды. Они не проходили через перепонки и вместо кристаллов давали студни.
      Итак, в природе был как будто наведен порядок. Любое вещество по своему строению — коллоид или кристаллоид. Все дело в величине молекул.
      Сначала с таким безоговорочным делением на два мира все обстояло благополучно; никаких недоразумений не было. Но скоро возникли сомнения. Были найдены вещества, которые соединяли в себе отдельные черты и коллоидов и кристаллоидов. Они стояли как бы на грани между двумя мирами. Прошло еще немного времени, и такой типичный представитель мира коллоидов, как желатина, был получен в виде кристаллов, а позднее оказалось, что поваренная соль — этот, казалось бы, бесспорный кристаллоид — в безводном спирте может дать коллоидный раствор и даже студень.
      Было обнаружено много и других веществ, растворы которых в зависимости от того, какой взят растворитель, могут быть либо коллоидными, либо кристаллоидными. Характерными в этом отношении являются щелочные соли высших жирных кислот — мыла, которые в спиртовом растворе приобретают кристаллоидные свойства, а в водном растворе — преимущественно коллоидные. Получалось, что одно и то же вещество может быть и коллоидом и кристаллоидом. Значит, деление веществ на два особых мира неверно. К такому решению первыми пришли русские ученые.
      8 мая 1869 года на заседании Русского физико-химического общества были доложены результаты первой русской работы, посвященной вопросам коллоидной химии: «О свойствах и частичном строении некоторых коллоидных веществ, участвующих в образовании растительных и животных организмов». Сообщение делал профессор ботаники Киевского университета Илья Григорьевич Борщов. В том же году в журнале общества была опубликована статья И. Г. Борщова под тем же названием.
      Борщов знал о работах английского ученого, но он не пошел его путем. В противоположность Грэму Борщов считал, что возможно «существование одного истого же вещества в виде кристаллоида и коллоида, переход из одного состояния в другое».
      Не располагая такими тонкими методами исследования, какие предоставляет в распоряжение современных ученых наука нашего времени, Борщов все же сумел глубоко проанализировать результаты своих наблюдений по диффузии и набуханию коллоидов и высказал целый ряд положений, касающихся величины и строения коллоидных частиц, а также устойчивости коллоидов. Борщов в своих работах подчеркивал также, что свойства коллоидов имеют громадное значение для понимания различных биохимических и физиологических процессов, совершающихся в живых организмах.
      1869 год справедливо может считаться годом начала развития коллоидной химии в России, а Борщов — одним из основоположников этой науки. Со времени появления работ этого замечательного исследователя коллоидами заинтересовались многие русские ученые. Дмитрий. Иванович Менделеев в своих «Основах химии» писал: «Вопросы коллоидной химии должно считать передовыми и могущими иметь большое значение во всей физике и химии». Они «стоят на очереди в нашей науке».
      Следующий крупный шаг в развитии науки о коллоидах был сделан профессором Петербургского университета Петром Петровичем Веймарном. Более двухсот различных веществ тщательно изучил этот ученый и в результате долгой и кропотливой работы пришел к окончательному убеждению, что «коллоидное и кристаллическое состояние есть общее состояние материи». Как вода может быть в. газообразном, жидком или твердом состоянии, так и любое вещество может быть в зависимости от условий либо в кристаллическом, либо в коллоидном состоянии. Грань между двумя мирами веществ, проведенная Грэмом, не отражает действительных закономерностей природы. Нет двух миров веществ. Нельзя говорить о коллоидных и кристаллических веществах, можно говорить только о коллоидном и кристаллоидном состоянии веществ.
      Ход развития науки о коллоидах прекрасно подтверждает слова В. И. Ленина, что все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи.
      В дальнейшем, говоря о коллоидах, мы будем иметь в виду не отдельные вещества, а системы веществ, которые обладают характерными коллоидными свойствами. Говоря, например, о коллоидном серебре, коллоидной сере и т. д., мы будем подразумевать под этим не чистое серебро и не чистую серу, а коллоидные растворы этих веществ в воде или иной среде. Но для краткости мы будем употреблять слово «коллоид», всегда подразумевая под этим коллоидную систему как целое.
      В нашей жизни мы постоянно сталкиваемся с коллоидами. Это системы, которые состоят по крайней мере из двух веществ, причем одно из этих веществ рассеяно в другом в виде частиц более крупных, чем отдельные молекулы, — в виде сгустков молекул определенной величины. Надо сказать, что само понятие «коллоид» очень сложно. По мере знакомства с коллоидами мы будем постепенно уточнять, что такое коллоид.
      Коллоиды встречаются почти всюду. Чтобы убедиться в этом, совершим экскурсию в окружающий нас мир.
      Вот несутся в небе облака. Это коллоидная система — мельчайшие капельки воды, взвешенные в воздухе. Коллоидной системой является и туман.
      Из заводской трубы клубами вырывается дым. Он содержит много крупных частиц и поэтому имеет темный цвет. Но крупные частицы не могут долго держаться в воздухе. Они оседают, и тогда в воздухе остается голубоватая дымка. Это также настоящая коллоидная система — мельчайшие твердые частицы несгоревшего угля и золы, распыленные в воздухе. Подобные системы называют аэрозолями.
      Особенно часто встречаемся мы в жизни с жидкими коллоидными системами. В млечном соке растений, в молоке, масле, во многих лекарствах, в колесной мази — одна жидкость в виде мельчайших капелек раздроблена в другой. Это коллоидные системы — эмульсии. Если же в жидкости рассеяны твердые коллоидные частицы, то такую систему называют золем. Таким образом, коллоидные растворы желатины, белка, клея — все это золи.
      Если твердые частицы распределены в воде, то такие золи называют гидрозолями. Если вместо воды в системе участвует спирт или эфир, то получаемые золи соответственно носят название алкозоли и этерозоли. Часто коллоиды, в которых средой служат органические растворители, называют также органозолями. В военном деле с золями и эмульсиями встречаются, например, при приготовлении средств дегазации.
      Не менее распространены и хорошо знакомы читателю продукты превращения жидких коллоидов — студни и гели (о них рассказывается в последних разделах нашей книжки). В то время как в жидких и газообразных коллоидных системах частицы движутся более или менее свободно, здесь они сплетаются друг с другом в запутанные сетки, и система постепенно приобретает свойства твердого тела. Различные смолы, пластмассы, древесина, кожа, резина — все это коллоидные системы — гели. Есть гели и в земле. Это силикаты — соли кремневой кислоты, а также множество других веществ, скапливающихся в почве при гниении остатков погибших растений и животных. Гели нашли широкое применение в военной технике при изготовлении некоторых зажигательных веществ.
      Если мы обратимся к царству минералов, то и здесь найдем немало коллоидных систем. Рубин, сапфир, аметист, топаз — все эти драгоценные камни представляют собой минералы (соединения алюминия или кремния с кислородом), в которых рассеяны коллоидные частицы различных металлов. Эти частицы и придают камням их красивую окраску. Черный алмаз обязан своим цветом коллоидным частицам угля.
      Цветные стекла также бывают «окрашены» коллоидными частицами различных металлов. Коллоидная окраска применяется для получения желтых и красных стекол. Например, в красном рубиновом стекле, применяемом для сигнальных целей и в фотографии, есть коллоидная медь.
      Природная поваренная соль иногда бывает окрашена в синий цвет. Долгое время не удавалось найти причину этой окраски. Синий цвет приписывали неизвестным загрязнениям. Но в конце концов было установлено, что виновником окраски является металл натрий. Он находится в синей соли опять-таки в виде коллоидных частиц.
      В твердых веществах могут быть рассеяны не только твердые коллоидные частицы, но и капельки жидкостей и пузырьки газов коллоидной величины. Так, например, в жемчуге и драгоценном камне опале есть мельчайшие капельки воды. Во влажном воздухе или в соседстве с кожей жемчуг и опал сохраняют свой прекрасный вид. Но в сухом воздухе они могут потерять коллоидную воду. Были случаи, когда при долгом хранении в сейфах жемчуг «высыхал» и превращался в обыкновенный мел, а опал — в кремнезем (песок).
      Без преувеличения можно сказать, что из всех окружающих нас предметов трудно найти такой, который не содержал бы веществ в коллоидном состоянии!
      Каждый живой организм — это сложная коллоидная система, включающая в себя и жидкие коллоиды, и гели. Одеваемся и обуваемся мы в коллоиды, так как волокна хлопка, льна, конопли, шерсть и шелк, кожа и резина — все это коллоиды. Пища, будь то хлеб, мясо, молоко, картофель или кисель, — это тоже коллоиды.
      Почти вся наша промышленность так или иначе связана с коллоидами. Одни производства (мыловаренное, маргариновое, искусственного волокна, пластических масс) получают коллоиды, другие, например сахарное, стараются избавиться от коллоидов и, наконец, для третьих производств (бумажного, резинового, текстильного, кондитерского и т. д.) коллоиды служат сырьем.
      Нередко приходится встречаться с коллоидным состоянием при исследовании радиоактивных веществ, которыми занимается сравнительно недавно возникшая наука радиохимия. Радиоактивные вещества, находящиеся в коллоидном состоянии, получили название радиоколлоидов.
      Этими примерами далеко не исчерпывается список природных и искусственно получаемых коллоидов. Мы
      только хотели показать, как велик и многообразен мир коллоидных систем.
      Познакомимся теперь с коллоидами поближе.
     
      3. ВЕЛИЧИНА ЧАСТИЦ
     
      Как уже говорилось, во всяком коллоиде вещество раздроблено до частиц более крупных, чем обычные молекулы. Какие же размеры имеют коллоидные частицы?
      Размешайте в воде очень тонкий порошок мела: никакого коллоидного раствора вы не получите. Получится лишь непрозрачная жидкость, в которой отдельные более крупные частицы мела быстро опускаются на дно, а другие, более мелкие, как бы плавают, висят в воде; это так называемая взвесь. Если процедить эту взвесь через пористую, непроклеенную бумагу (фильтровальную), то крупинки мела останутся на бумаге, хотя поры в ней гораздо крупнее, чем в пергаменте или целлофане. Даже самые маленькие частицы взвеси, как и самые маленькие пылинки, всегда можно различить в микроскоп.
      Теперь вспомним, как ведут себя молекулы истинного раствора. Они свободно проникают через мембрану. Значит, и фильтровальная бумага их не задержит. В микроскоп они не видны.
      А коллоидные частицы? Они, как и обычные молекулы, легко проходят через бумажный фильтр, но не могут проникнуть через мелкие поры мембран, как и частицы взвесей.
      Значит, коллоидные частицы крупнее обычных молекул и меньше частиц взвесей.
      Но почему мы подчеркиваем — обычных молекул? Да потому, что есть вещества, например крахмал, различные белки, каучук, молекулы которых в десятки раз крупнее обычных молекул — таких, как молекулы соли, сахара, соды и других. Эти вещества мы можем назвать природными коллоидами. Сама природа дает нам здесь уже готовые коллоидные частицы — молекулы-гиганты; при растворении этих веществ мы всегда получаем коллоидные растворы.
      Поперечник молекул-гигантов измеряется миллионными долями миллиметра. Эта величина и может быть выбрана в качестве границы между молекулами истинных растворов и частицами коллоидов.
      Вторую границу — границу, отделяющую коллоидные частицы от частиц взвесей, помог выбрать микроскоп. Крупинки взвеси хорошо видны в микроскоп, а коллоидные частицы уже неразличимы: они находятся за гранью видимого. Коллоидные растворы и на глаз, и при а в рассмотрении в микроскоп кажутся совершенно однородными, или, как говорят, оптически пустыми.
      Для оптического микроскопа есть определенный предел видимости. Этот предел обусловлен свойствами самого света. Мы можем различить под микроскопом частицу, сравнимую по размерам с длиной волны падающего на нее света; такая частица еще дает позади себя тень, и потому мы ее видим. Но представим себе, что поперечник частицы равен половине длины волны. Такую частицу световая волна уже легко огибает. Свет проходит так, как будто частицы нет, и мы ее не обнаруживаем. Длина самой короткой волны видимого света равна четырем десятитысячным долям миллиметра, или 0,4 микрона (микрон — тысячная часть миллиметра, миллимикрон — миллионная часть миллиметра). Значит, частицу меньше 0,2 микрона мы уже не можем различить в микроскоп. И если частицы коллоидного размера в микроскоп не видны, мы вправе заключить, что размеры их не превышают 0,2 микрона.
      Если представить себе обычную молекулу величиной с маленькую крупинку сахара, то коллоидные частицы средних размеров оказались бы величиной с яблоко, а частицы взвеси или отдельные пылинки — в виде шаров диаметром в несколько метров. На рисунке 2 показаны сравнительные размеры отдельных частиц вещества в различных состояниях раздробления. Истинные размеры частиц на рисунке увеличены примерно в миллион раз.
      Ограничиваясь пока рассмотрением коллоидов с этой чисто количественной стороны, мы можем характеризовать их по размерам частиц, то есть по степени их раздробления, дисперсности. Согласно принятой теперь классификации частицы указанных выше трех групп систем имеют следующие размеры:
      частицы взвесей имеют размер более 10 в -4ст. миллиметра, или 0,1 микрона;
      частицы коллоидов имеют размер от 10 в -4 до 10 в -6 миллиметра, или от 0,1 до 0,001 микрона;
      частицы истинных растворов (молекул) — от 10 в -6 до 10 в -7 миллиметра, или от 0,001 до 0,0001 микрона.
      Отметим, что показатель степени, если он стоит со знаком плюс (часто его при написании опускают), означает, что данное число надо умножить само на себя столько раз, сколько единиц содержится в показателе степени. Например, 10 в +5 (или просто 10 в 5) равно 10Х10Х10Х10Х10, или 100000. Если показатель степени стоит со знаком минус (знак минус в таких случаях всегда пишется), то это соответствует числу, которое получается от деления единицы на данное число, возведенное в степень с положительным знаком.
      Например, 10 в -3ст. равно
      1/10Х10Х10
      или
      1/1000, или 0,001.
      Как видно, коллоидная область дисперсности установлена до некоторой степени произвольно. Однако выделение коллоидной области среди других дисперсных систем вполне оправдано. Хотя размеры частиц, повторяем, являются только количественной характеристикой коллоидов, не затрагивающей вопросов взаимодействия раздробленного вещества с молекулами среды, тем не менее системы с частицами коллоидных размеров имеют много специфических, весьма интересных и подчас очень ценных для нас свойств. Это еще раз доказывает справедливость одного из основных законов диалектического материализма — закона перехода количества в качество.
      В том, что свойства вещества меняются при его измельчении, можно убедиться на множестве примеров. Если бросить в воду камень, он быстро пойдет ко дну. Раздробим теперь камень на мелкие кусочки. Бросая их в воду, мы заметим, что чем меньше кусочек, тем медленнее он опускается. Можно истолочь камень в такой тонкий порошок, что частицы его неделями будут «висеть» в воде, прежде чем достигнут дна. А если бы нам удалось получить из камня частицы коллоидных размеров, то оказалось бы, что они уже не оседают на дно совсем, как не оседают из раствора молекулы соли.
      Частички глины диаметром в один микрон оседают в спокойной воде со скоростью, равной примерно 10 сантиметров за один день. Частицы с диаметром, в четыре раза меньшим, совершают путь в 10 сантиметров уже за 23 дня. Частицы, в десять раз меньшие, то есть в 0,1 микрона, — за 487 дней, а частицы с диаметром в одну сотую микрона не осядут и за сто лет. Таким образом, мы можем заключить, что продолжительность существования коллоидной системы практически не определяется явлением оседания частиц.
      В обычной глине всегда есть много песчинок и других крупных частиц. Вылепить что-нибудь из такой глины довольно трудно. Чтобы отделить крупные частицы, глину взмучивают в воде и на некоторое время оставляют в покое. Более крупные примеси быстро оседают, и в воде остается тонкая взвесь. Взвесь сливают и повторяют отстаивание до тех пор, пока на дне не будут осаждаться мельчайшие частицы чистой глины. Такая глина легко принимает и сохраняет придаваемую ей форму.
      Еще более пластичную глину можно получить, если прибавить к ней немного щелочи. Тогда в глине увеличится число коллоидных частиц. Эти частицы могут легко скользить друг возле друга; от этого и повышается пластичность глины.
      Вряд ли кто причислит к взрывчатым веществам кусковой уголь, сахар, зерно. Уголь горит в топках совершенно спокойно. Также спокойно может гореть и сахар, и зерно. А между тем сахарная, угольная и мучная пыль с частицами, близкими по размерам к коллоидным, могут гореть со взрывом. Угольная пыль, например, такой же враг шахтеров, как и рудничный газ. Керосин и нефть, распыленные в воздухе в виде мельчайших капелек, также дают взрывчатую смесь.
      Вообще чем мельче раздроблено вещество, тем быстрее идет его химическое взаимодействие с другими веществами. Поэтому химики в своих лабораториях постоянно пользуются ступками, а на заводах, где перерабатываются огромные количества материалов, для размельчения служат специальные дробилки и различные мельницы.
      Если уголь размолоть до частичек в толщину человеческого волоса (около 0,05 миллиметра), то такой угольный порошок можно подавать в топки через форсунки, подобно нефти или мазуту.
      Тонко измельченный графит служит превосходной смазкой, которая в ряде случаев применяется взамен масла.
      Размолотая до коллоидных размеров краска обладает повышенной кроющей способностью.
      Заметим, что в цветных золях ничтожное количество раздробленного вещества способно придавать интенсивную окраску большому количеству раствора. Например, если в одном литре раствора находится всего только один миллиграмм коллоидного серебра, золь уже имеет бурый цвет. Окраска коллоидным золотом почти в четыреста раз интенсивнее, чем окраска, вызванная тем же количеством такого превосходного красителя, как фуксин.
      Свойства различных сплавов, например железа и стали, также во многом зависят от величины содержащихся в них зерен углерода или цементита (соединения углерода с железом). Сталь особенно тверда, когда зерна сплава имеют размеры коллоидных частиц.
      От величины капелек жира может зависеть скорость их всасывания через стенки пищеварительных органов. Тонко раздробленный жир в молоке и сливочном масле усваивается организмом человека лучше, чем жир в сплошной массе, например топленое масло или сало.
      Сильно раздробленные вещества легче проникают и через поры кожи. Поэтому фармацевты, изготовляя мази, тщательно растирают входящие в их состав лекарства.
      Много других ценных свойств приобретают вещества при коллоидном или близком к нему измельчении.
      Каким же путем достигается это измельчение? Как получают коллоиды?
      Мы уже видели, что коллоидные системы занимают промежуточное место между грубыми взвесями и истинными растворами. Коллоидные частицы крупнее обычных молекул, но меньше крупинок взвеси и пылинок. Такое промежуточное положение коллоидных частиц подсказывает нам способы получения коллоидов.
      Как нитку можно спрясть из отдельных волокон хлопка, так и коллоидную частицу можно составить, «вырастить» из отдельных молекул. При некотором терпении веревку можно развить на отдельные нитки; точно также и крупную частицу взвеси можно раздробить до коллоидных частиц.
      Таким образом, между тремя группами дисперсных систем — взвесями, коллоидами и истинными растворами — устанавливается непрерывный переход. Частицы, образующие взвеси, путем дробления могут быть переведены в истинные растворы через промежуточное коллоидное состояние, а истинные растворы путем укрупнения, выращивания частиц могут быть переведены в свою очередь через область коллоидов в взвеси.
      Познакомимся сначала со способами выращивания коллоидных частиц из молекул.
     
      4. ВЫРАЩИВАНИЕ ЧАСТИЦ
     
      Как собрать в одну частицу сотни, а иногда и тысячи отдельных молекул вещества? Как получить такой «сгусток» молекул (раньше коллоидные частицы так и называли — «сгустки»)?
      Всыпайте в кипящую воду стиральную соду до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Вы получите насыщенный раствор. Теперь быстро охладите его. В жидкости сразу появится много очень маленьких кристалликов соды. Это произойдет потому, что при пониженной температуре вода уже не может растворять так много соды, как при температуре кипения. Отдельные молекулы начнут собираться в кристаллы, и раствор помутнеет. В какой-то момент своего роста каждый из кристаллов достигает размера коллоидной частицы. Но он будет продолжать быстро расти и вскоре станет виден даже невооруженным глазом.
      Таким образом, при быстром росте кристаллов никакого коллоидного раствора, конечно, не получится. Надо каким-то путем задержать рост кристаллов — и как раз в тот момент, когда они вырастают до величины коллоидных частиц. Как это сделать? Оказывается, для раствора соды в воде это сделать невозможно. И вообще — нельзя получить коллоидный раствор в той жидкости, в которой это вещество хорошо растворимо. Основное и необходимое условие получения коллоидного раствора — это ничтожно малая растворимость вещества во взятой жидкости.
      Значит, для того чтобы получить коллоидный раствор из какого-нибудь молекулярного, то есть истинного раствора, мы должны создать такие условия, при которых растворимость нашего вещества резко понизится. Самый простой способ это сделать — заменить растворитель. Такую замену растворителя проделывали, вероятно, многие из вас, не задумываясь над происходящим явлением. Например, вам потребовалась чистая склянка, и вы решили вымыть флакон, в котором еще есть несколько капель одеколона. Вспомните, что когда вы наливаете во флакон воду, она становится совершенно мутной. Что здесь происходит? Одеколон — это истинный раствор душистых эфирных масел в спирте. В воде эти масла не растворяются. Смешиваясь с одеколоном, вода как бы отнимает спирт у молекул масла, выталкивает их из спирта. Лишенные растворителя, молекулы масла соединяются в мельчайшие капельки; образуется коллоидная система — эмульсия эфирных масел в воде (эмульсиями, как мы уже говорили, называют системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой жидкости).
      Но почему бы маленьким каплям эфирного масла не вырасти в этом случае до больших размеров и не всплыть на поверхность воды? Оказывается, именно это и произойдет, если не соблюдать определенных условий. Если мы хотим получить устойчивый коллоид, мы всегда должны брать немного истинного раствора и прибавлять его по каплям в большое количество другой жидкости при сильном перемешивании. Тогда отдельные молекулы будущего коллоида сразу же равномерно рассеются по всей жидкости, и коллоидные частицы будут расти сравнительно медленно.
      Знать и точно соблюдать условия образования коллоидных частиц очень важно при получении коллоидов в производстве.
      Посмотрим, как получаются цветные стекла, например, рубиновое стекло, которое окрашивается коллоидными частицами золота. Приготовляется оно плавлением стекла с очень небольшим количеством соли золота (несколько десятых долей грамма на один •килограмм стекла). При высокой температуре соль разлагается, и атомы золота распределяются по всей массе жидкого стекла. Затем жидкое стекло охлаждают. При некоторой температуре из атомов золота начинают возникать очень маленькие частички — «зародыши». Вырасти до коллоидных частиц эти зародыши не успевают, так как температура, при которой они начинают возникать, сравнительно низка. Стекло при этой температуре становится уже настолько вязким, что перемещение частиц в нем сильно затрудняется. Когда стекло совсем остынет, оно будет бесцветным или слегка желтым (в желтый цвет его окрашивают зародыши). Чтобы вырастить коллоидные частицы, сплав нагревают еще раз. При этом вязкость стекла уменьшается, атомы и зародыши получают возможность передвигаться более свободно. Они соединяются друг с другом до размеров коллоидных частиц, и стекло окрашивается в красивый рубиновый цвет. Вторичное нагревание продолжается строго определенное время. Если стекло нагревать слишком долго, частицы золота могут перерасти коллоидные размеры и получится плохой сорт фиолетового стекла.
      Первое правильное объяснение строения рубиновых стекол дал великий русский ученый М. В. Ломоносов еще в то время, когда наука о коллоидах не существовала.
      Такие же процессы идут и при получении ультрамарина — минеральной краски, известной под названием «синьки». Для этого обычно сплавляют белую глину — каолин — с содой и серой. Вначале получается молекулярный раствор серы, а затем, при вторичном, а иногда и при многократном осторожном накаливании, возникают коллоидные частицы серы, окрашивающие сплав в синий цвет. И здесь тоже необходимо плавить смесь строго определенное время и доводить сплав до определенной температуры. Нарушение этих условий может привести к тому, что вместо синего ультрамарина получится красный, желтый или зеленый в зависимости от величины образовавшихся частиц.
      Приведем еще один интересный способ получения коллоидных растворов путем выращивания коллоидных частиц. Так получаются коллоидные растворы различных металлов, в частности серебра. Коллоидное серебро многим хорошо знакомо: это прижигающие лекарственные средства — протаргол и колларгол. Для получения коллоидного серебра в сосуд с водой погружают две серебряные палочки и соединяют их с источником электрического тока (рис.3). При включении тока между палочками возникает электрическая дуга. При этом развивается такая высокая температура, что твердое серебро, превращается в пар. С паром серебра, очевидно, происходит то же, что и с водяным паром, рассеивающимся в холодном воздухе, — отдельные его атомы собираются в коллоидные частицы. От дуги в воду поднимается бурое «облако» коллоидного серебра. Чтобы вода в сосуде не закипела, дугу зажигают на короткий срок, а сосуд все время охлаждают льдом.
      Существует также много химических путей выращивания коллоидных частиц. Они довольно сложны, и мы не будем на них останавливаться. Укажем только, как образуется коллоидная сера в природе. Когда вода серных источников выходит из глубины на поверхность земли, растворенный в ней газ — сероводород — окисляется кислородом воздуха. Одним из продуктов этого окисления является сера. Сера нерастворима в воде, и ее молекулы соединяются друг с другом в коллоидные частицы. Частицы быстро растут, и поэтому сероводородная вода на воздухе становится молочно-мутной.
      Мы познакомились со способами «выращивания» коллоидных частиц. Во всех приведенных примерах коллоидные частицы получаются путем сгущения, конденсации молекул. Посмотрим теперь, как получают коллоидные частицы измельчением крупных кусков вещества.
     
      5. КОЛЛОИДНАЯ МЕЛЬНИЦА
     
      Самый простой способ дробления вещества, не требующий с нашей стороны никаких усилий, — это растворение. Но, как уже говорилось, таким путем в большинстве случаев мы получаем истинные растворы, то есть вещество дробится до молекул. Коллоидные растворы образуются при растворении только тогда, когда мы имеем дело с природными коллоидами — крахмалом, белком, клеем. Здесь молекулярный раствор будет одновременно и коллоидным, так как молекулы-гиганты этих веществ имеют размеры коллоидных частиц.
      Другой способ получения коллоидных частиц — это постепенное механическое дробление больших кусков вещества на все более мелкие крупинки. Такой способ, казалось бы, не должен представлять особых трудностей. В самом деле, что может быть проще—взять ступку и растирать в ней кусок твердого вещества, пока частички его не достигнут коллоидных размеров; всыпать порошок в какую-нибудь жидкость, в которой он не растворяется, размешать его — и коллоидный раствор готов!
      На практике, однако, это выглядит по-другому. Простым механическим дроблением сухого вещества мы можем получить частицы диаметром всего около пяти тысячных миллиметра. Дальнейшие наши усилия будут напрасны. И причина этого в том, что чем меньше становятся частицы порошка, тем лучше они снова слипаются друг с другом.
      Можно ли предотвратить сцепление мелких частиц? Оказывается, можно. Нужно только взять не чистый порошок, а смоченный какой-либо химически не действующей на него жидкостью или же добавить к нему какое-нибудь твердое вещество. Растирая такую смесь, удается получить частицы коллоидных размеров.
      Смешайте, например, уголь с сахаром и старательно растирайте эту смесь в ступке. Пройдет, может быть, целый месяц, но в конце концов «терпение и труд все перетрут» — вы добьетесь коллоидного измельчения. Теперь остается добавить к порошку воду и таким образом перевести уголь в коллоидный раствор.
      Но коллоидным частицам угля будут сопутствовать в растворе молекулы сахара. Как освободиться от них? Сделать это не представляет особого труда. Ведь по сравнению с частицами угля молекулы сахара очень малы. Они свободно проходят через пергамент или животный пузырь, в то время как частицы угля этими мембранами задерживаются. Значит, мембрана может послужить нам своего рода ситом. Через нее мы «отсеем» молекулы сахара и получим совершенно чистый коллоидный раствор.
      Однако получать коллоиды таким путем очень неудобно. Это требует огромной затраты труда и времени и, конечно, неприменимо в технике, где часто необходимы огромные количества тонких порошков. Очень удобный, быстрый и дешевый способ измельчения придумал русский инженер Плауссон. В 1920 году он построил специальную мельницу для получения коллоидов. Вот как устроена одна из таких коллоидных мельниц (рис.4).
      В очень прочном металлическом цилиндре помещаются два диска с гладко отшлифованной поверхностью. Нижний диск укреплен неподвижно, а верхний очень быстро вращается—до 250 оборотов в секунду. Иногда устраивают мельницу и так, что вращаются оба диска, один — вправо, а другой — влево. Диски расположены так, что между ними остаются лишь очень маленькие зазоры. В полую ось (см. рис.4) насосом нагнетается взвесь вещества в какой-нибудь подходящей жидкости, например взвесь графита в воде или масле. Частицы взвеси попадают в зазоры между дисками. Здесь они испытывают очень сильное механическое воздействие вихревых движений жидкости и размельчаются.
      Через отверстие внизу жидкость уходит в особый промежуточный сборник, а затем снова возвращается насосом в мельницу. Так продолжается до тех пор, пока частицы не достигнут желаемого размера.
      Коллоидные мельницы используются в самых различных производствах. В них дробят графит для изготовления смазок и карандашей, измельчают минеральные удобрения, краски, лекарственные вещества, готовят искусственное молоко из обезжиренного молочного порошка и сливочного масла и пр.
      Помол в мельницах идет очень быстро. До изобретения коллоидной мельницы графит, например, растирали на шаровых мельницах, и на это уходило 15—20 суток; очень тонкую крупку какао, необходимую для приготовления шоколада, получали с помощью вальцов за 6—7 суток. Коллоидная мельница выполняет и ту и другую работу за 15—20 минут!
      Так получают коллоидные частички преимущественно из твердых тел.
      Получить коллоидные капельки из жидкости много легче. Даже простым встряхиванием двух не смешивающихся между собой жидкостей, например керосина и воды, можно получить коллоидную систему — эмульсию. Правда, такая эмульсия очень неустойчива. Отдельные шарики эмульсии быстро сливаются, и жидкости расслаиваются. Но если мы прибавим к этой смеси немного мыла, то получим очень тонкую и устойчивую эмульсию. Частицы мыла защищают капельки эмульсии: они обволакивают керосиновые шарики тонкими пленками и препятствуют их слиянию; именно так и готовят керосиновые эмульсии для обрызгивания плодовых деревьев. Подобные методы применяются и в военной технике при изготовлении дегазирующих веществ.
      Очень маленькие капельки получаются также при разрушении пены. Каждый из вас, конечно, пускал в детстве мыльные пузыри и замечал, что когда пузырь лопнет, в воздухе иногда появляется легкий «дымок». Это — множество капелек, образовавшихся из обрывков тонких стенок пузыря. В помещениях, где происходят процессы брожения (на пивоваренных и винокуренных заводах, в хлебопекарнях) или стирка, воздух всегда влажен. Эта влажность возникает не только за счет испарения воды, но и за счет образования тумана при разрушении водяных оболочек пены.
      В последнее время для коллоидного дробления твердых и жидких веществ начал применяться ультразвук. Если в воздухе распространяются звуки, которые мы слышим, то это значит, что частицы воздуха совершают колебания с частотой от 16 колебаний до 20 тысяч колебаний в секунду. Если же частота колебаний превышает 20 тысяч, это будет уже ультразвук. Ультразвуки нашим ухом не воспринимаются. Мощные ультразвуковые волны с частотой в сотни тысяч колебаний в одну секунду получаются в специальных сложных установках, так называемых ультразвуковых генераторах. И если пропускать такие волны через смесь масла с водой, то частицы смеси приходят в сильное колебательное движение, дробятся и, перемешиваясь, образуют эмульсию масла в воде. С помощью ультразвука удается получать коллоидные растворы даже металлов!
      Таковы в общих чертах способы получения коллоидных систем, которые нашли широкое применение в народном хозяйстве и в военном деле. Познакомимся теперь с некоторыми свойствами коллоидов. Мы расскажем о тех явлениях, которые происходят на поверхности коллоидных частиц, о том, как коллоидные частицы относятся к свету, об электрических свойствах коллоидов и, наконец, о том, как построены сами частицы.
     
      6. МИР БОЛЬШИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
     
      Хорошо известно, что большой кусок сахара растворяется медленнее, чем такое же количество сахарного песка. Почему? Потому что общая поверхность кристаллов сахара в песке во много раз больше поверхности куска сахара. При растворении сахарного песка вода сразу соприкасается с массой маленьких поверхностей отдельных кристаллов, и поэтому в раствор в каждую секунду переходит все больше молекул сахара.
      Большое полено сгорает в печке медленно. Но если расколоть его на мелкие щепки, пламя сразу охватит большую поверхность щепок и они сгорят быстрее.
      В обоих этих случаях — и при растворении сахара, и при горении дерева — вещество раздроблено сравнительно грубо. Однако и здесь уже ясно сказывается увеличение поверхности. А в коллоидных системах частицы несравнимо меньше крупинок сахара, и общая поверхность их необычайно велика. Убедиться в том, что это действительно так, нетрудно.
      Вырежьте из куска мыла кубик с длиной ребра в один сантиметр. Поверхность кубика равна сумме Площадей шести его граней. Площадь каждой грани нашего кубика равна одному квадратному сантиметру. Значит, вся поверхность кубика составляет шесть квадратных сантиметров. Теперь разрежьте этот кубик так, чтобы ребро каждого нового кубика было вдвое меньше (рис.5), то есть было равно 1/2 сантиметра.
      Легко видеть, что при этом из прежнего кубика получится восемь новых. Поверхность каждого из них будет
      1/2 х 1/2 х 6 = 1,5 квадратных сантиметра, а поверхность всех восьми уже составит
      8 х 1,5 = 12 квадратных сантиметров, то есть увеличится вдвое.
      Так же будет расти поверхность и при дальнейшем делении кубиков. Кубик с длиной ребра в одну сотую долю сантиметра будет иметь очень маленькую площадь, всего в 0,01 Х 0,01 X 6 = 0,0006 квадратных сантиметра. Но таких кубиков из одного кубического сантиметра мыла получится миллион, и общая поверхность этого миллиона кубиков составит уже 600 квадратных сантиметров. Если же мы растворим наш кубик мыла в воде, то получим коллоидный раствор, в котором поверхность всех частиц мыла может дойти до сотен и даже тысяч квадратных метров!
      Общая поверхность одного грамма дождевых капель равна приблизительно 15—20 квадратным сантиметрам. Но если мы получим из этих дождевых капель коллоидные капельки тумана, то их общая поверхность составит уже несколько сотен квадратных метров!
      В приведенной ниже таблице показан рост числа кубиков и суммарной поверхности их при постепенном дроблении одного кубика вещества, имеющего первоначальную длину ребра в 1 сантиметр.
     
      Длина ребра Число кубиков Суммарная поверхность…
     
      Рамкой в таблице обведена область коллоидного раздробления. Нетрудно видеть, что в коллоидном состоянии один кубический сантиметр вещества приобретает поверхность в сотни и тысячи квадратных метров.
      Мир коллоидов — это мир больших поверхностей, связанных с небольшим количеством раздробленного вещества. Огромное развитие поверхности, связанное с высокой степенью раздробления, придает коллоидным системам ряд новых особых свойств, которые находят применение и в военном деле.
      Когда в воде истинно растворен какой-нибудь газ, например кислород, или какая-нибудь жидкость, например спирт, или твердое тело — соль или сахар, то бессмысленно говорить о газообразном, жидком и твердом состоянии растворенного вещества. Молекулы его образуют в этом случае как бы одно целое с молекулами воды, и определить, было ли вещество до растворения газом, жидкостью или твердым телом, мы не можем. Иное дело — коллоиды. Мы всегда можем сказать, что в молоке находятся капельки жира, в черной туши распределены твердые частицы сажи, в пене — пузырьки газа. Коллоидные частицы сохраняют свое жидкое, твердое или газообразное состояние, в какой бы среде они ни находились. Они отделены от среды определенной поверхностью. Существование этой поверхности — основное отличие коллоидных систем от истинных растворов.
      Как же сказывается огромная величина общей поверхности коллоидных частиц на свойствах коллоидов? Это один из самых важных вопросов коллоидной науки. Чтобы ответить на него, мы прежде всего должны поближе познакомиться с особенностями поверхностного слоя.
      В любом твердом теле, в любой жидкости отдельные молекулы связаны между собой силами, которые называются силами сцепления. В твердом теле эти силы весьма значительны, и чтобы разъединить молекулы твердого тела, например расколоть полено или разорвать веревку, мы должны приложить большое усилие. В жидкости силы сцепления меньше.
      Вокруг каждой молекулы существует определенное силовое поле. Любая молекула оказывает действие на окружающие ее молекулы и в свою очередь испытывает влияние силовых полей своих соседей. Но далеко не все молекулы одного и того же тела, будь оно жидкое или твердое, оказываются в этом отношении равноценными. Посмотрите на рисунок 6 и представьте себе, что линия АБ — это поверхность какой-нибудь жидкости, а черные точки — это случайно взятые молекулы. Три молекулы находятся внутри жидкости, одна — на поверхности. Каждая молекула внутри жидкости притягивает своих соседей и с такой же силой притягивается к ним сама. Силы сцепления между ними уравновешены, силовые поля их симметрично насыщены. Но обратите внимание на молекулу, лежащую на поверхности. Сбоку и снизу ее также окружают молекулы жидкости, но над поверхностью находятся воздух или пары этой жидкости, а в них, как и в любом другом газе, молекулы расположены сравнительно с жидкостью очень далеко друг от друга. Поэтому часть силового поля такой молекулы оказывается ненасыщенной.
      Ненасыщенность силовых полей молекул, лежащих в поверхностном слое, и является причиной того, что поверхность жидкости обладает некоторым избытком свободной энергии. Этот избыток энергии носит название поверхностной энергии. Известно, что свободная энергия всякой системы самопроизвольно может изменяться только в сторону наименьшего значения. Так, качающийся маятник, предоставленный самому себе, рано или поздно остановится в равновесном положении, что будет соответствовать минимуму свободной энергии. То же самое можно сказать и о свободной поверхностной энергии. Но каким путем она может уменьшиться?
      У жидкостей, как у тел, способных легко изменять свою форму, путь таков: уменьшение общей поверхности жидкости, уменьшение количества молекул, обладающих избыточной энергией. Жидкость всегда принимает такую форму, при которой поверхность ее наименьшая. При какой же форме тела поверхность его при данной массе оказывается минимальной? При шаровой. Этим и объясняется, что мелкие капли росы и дождя имеют форму шара. При больших объемах жидкости действие поверхностных сил маскируется влиянием силы тяжести. Именно сила тяжести и мешает проявиться действию поверхностных сил, благодаря чему жидкость, налитая в сосуд, всегда принимает его форму. Однако можно искусственно создать такие условия, когда поверхностные силы сыграют свою роль и большой объем жидкости примет шарообразную форму. Это всем известный из школьного курса физики опыт Плато (рис.7). Если поместить какое-нибудь жидкое масло в водный раствор спирта, имеющий одинаковую с маслом плотность, то в таком растворе масло будет находиться только под действием поверхностных сил и большая капля масла примет правильную шарообразную форму.
      А каким же образом уменьшается свободная энергия у твердых тел? Ведь твердые тела не могут изменять свою форму так же свободно, как жидкости. Свободная поверхностная энергия твердого тела уменьшается другим путем: молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и порой очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело. Это явление носит название сорбции (от латинского слова «сорбео» — втягиваю, поглощаю). Вещество, которое сорбирует на своей поверхности другое вещество, называют адсорбентом. Вещество, которое сорбируется, называют адсорбтивом. Явление сорбции газов лежит в основе защитного действия противогаза.
      Вполне очевидно, что чем больше поверхность адсорбента, тем больше будет ею адсорбировано молекул других веществ. Поэтому порошкообразные вещества и особенно коллоиды обладают очень сильной поглощающей способностью. Возьмем, например, полную литровую кружку сажи. Каждая крупинка сажи окружена тонкой воздушной пленкой. Если бы мы попробовали оторвать эти воздушные пленки от всех крупинок, то пришли бы к неожиданному результату. Оказывается, что сами крупинки сажи занимают только 5 процентов объема кружки; остальные 95 процентов объема занимает воздух, адсорбированный сажей. Но воздух этот сильно сжат. Если его собрать в отдельный сосуд при обычном атмосферном давлении, то он займет объем в два с половиной литра (рис.8)! Это показывает, что молекулы воздуха не просто окутывают поверхность крупинок сажи, а действительно образуют вокруг них плотные оболочки. Именно благодаря таким плотным газовым пленкам долго не слеживаются тонкие порошки, например мука, какао и т. д.
      Процессы адсорбции широко применяются в промышленности — за счет свободной поверхностной энергии совершается очень большая и полезная для нас работа. Адсорбентами служат вещества с сильно развитой поверхностью — порошки, коллоиды и разнообразные пористые вещества.
      Возьмем, к примеру, крашение различных тканей. Крашение возможно только благодаря тому, что волокна ткани (а ткань — это коллоид) способны адсорбировать краску. Если окраска проведена правильно, то частицы краски пристают к волокнам очень сильно и ткань не линяет от стирки. При подсинивании ткань тоже адсорбирует коллоидную краску — синьку.
      Моющее действие мыла также связано с адсорбцией. Мыльные пленки адсорбируют вещества, загрязняющие ткань.
      Тонко измельченный древесный уголь очень хорошо адсорбирует краски. Если, например, взболтать угольный порошок с раствором чернил, то частицы угля адсорбируют краску и чернила обесцветятся. На этом явлении основано применение угля на маслобойных и маргариновых заводах для осветления растительных масел, а на сахарных заводах — для отбеливания сахарного сока и патоки. Углем очищают и питьевую воду — уголь поглощает примеси, придающие воде затхлый запах и неприятный привкус.
      Способность угля адсорбировать из растворов и жидкостей различные окрашивающие их загрязнения, сильно пахнущие примеси и прочее была открыта русским академиком Товием Егоровичем Ловицем еще в 1785 году. Результаты своих исследований Т. Е. Ловиц опубликовал в Петербурге в 1792 году. Он предложил применять для очистки различных растворов и жидкостей прока-30
      ленный древесный уголь. С тех пор этот способ получил широкое распространение в химической практике, при изготовлении различных фармацевтических препаратов, в спиртоводочной промышленности (очистка спирта-сырца) и в виноделии. Так, например, вино, предназначенное для изготовления шампанского, содержит два окрашивающих его вещества — желтое и красное. Последнее должно быть извлечено. Но обычные угли одинаково хорошо адсорбируют оба эти вещества, так что после обесцвечивания вино вновь подкрашивают карамелью (сахаром, нагретым до побурения). В настоящее время уже имеются угли, которые обладают способностью избирательно адсорбировать только одну красную краску.
      В воду, питающую паровые котлы, иногда добавляют коллоидный графит. Делается это вот для чего. Соли, выделяющиеся из воды, дают на стенках котлов накипь, которую очень трудно удалять. Если же в воде есть коллоидные частицы графита (всего несколько граммов на тонну воды), то соли оседают на поверхности этих частиц. Графит дает рыхлый хлопьевидный осадок, от которого котел легко очищается простой промывкой.
      Очень мелкий порошок хорошо очищенного угля, полученного из материалов, не содержащих примесей, вредных для организма человека, применяется в медицине при лечении некоторых желудочных заболеваний, а также при отравлениях. В последнем случае уголь адсорбирует ядовитые вещества, чем и предотвращает возможность попадания их в кровь.
      При нагревании поглотительная способность веществ падает. Это объясняется очень просто. Ведь с повышением температуры молекулы всякого тела начинают двигаться быстрее. Хотя поглощенные молекулы удерживаются поверхностью довольно сильно, однако при нагревании часть молекул может преодолеть эту силу и оторваться от поверхности. Процесс удаления адсорбированного вещества носит название десорбции. Нетрудно заметить, что явления адсорбции и десорбции во многом напоминают хорошо известные явления конденсации и испарения, физическая сущность которых, надо полагать, знакома читателю.
      С явлением десорбции мы часто встречаемся в повседневной жизни. Так, известно, что цветные ткани нельзя стирать в горячей воде — адсорбированная тканями краска уходит с волокон при нагревании гораздо легче. А вот другой пример. Всыпьте ложку какао в холодную воду. Вам придется долго размешивать какао, прежде чем все его частицы будут смочены. Смачиванию мешают воздушные пленки вокруг частиц. Но всыпьте какао в горячую воду. Молекулы воздуха начинают двигаться в пленках более оживленно, легче покидают поверхность крупинок, и смачивание происходит очень быстро.
      При низких температурах, наоборот, поверхность порошков может удерживать большое количество вещества. Этим также пользуются в технике. Мы можем улавливать углем ценные для нас вещества, а затем нагревать этот уголь и получать вещество в чистом виде. Таким путем на фабриках и заводах из вентиляционного воздуха и отходящих печных газов собирают много ценных органических веществ: бензин, бензол, эфир, ацетон и другие.
      Наши отечественные ученые уделяли и уделяют большое внимание изучению явлений, связанных с адсорбцией. Особенное значение для создания теории адсорбционных процессов и для практического использования адсорбции имеют исследования таких ученых, как Н. Д. Зелинский, Н. А. Шилов, М. М. Дубинин, К. В. Чмутов, П. А. Ребиндер, Л. Г. Гуревич, и других.
      Весной 1915 года, в разгар первой мировой войны, Германия применила на фронте отравляющие газы. Надо было срочно найти средство защиты.
      Отравляющие газы сильнее всего действуют на дыхательные пути. Значит, в первую очередь надо было найти простой и удобный способ обезвреживать вдыхаемый воздух. Очистить воздух от примеси известного газа не так трудно. Химик может быстро подобрать такое вещество, которое, соединяясь с ядовитым газом, дает безвредные продукты. Но вся беда в том, что обороняющаяся сторона не знает заранее, какой газ применит противник. Ведь меньше чем через год после первой газовой атаки воюющие стороны применяли уже десятки различных отравляющих веществ. Кроме газов, начали применяться также жидкие и твердые вещества, пары которых ядовиты. Каждое из этих веществ взаимодействует только с некоторыми поглотителями и свободно «обходит» все другие.
      Надо было найти такое вещество, которое обезвреживало бы воздух, отравленный любым газом.
      Такое универсальное противоядие уже в конце лета 1915 года было найдено. Благородную задачу спасения миллионов людей решил русский ученый, академик Николай Дмитриевич Зелинский. Он обнаружил, что чистый березовый уголь способен адсорбировать почти все газы!
      Если пропускать отравленный воздух- через слой зерен такого угля, то ядовитые газы остаются на поверхности угля и воздух выходит обезвреженным. Конечно, если использовать для этого обычный уголь, то противогаз будет пригодным очень непродолжительное время — уголь быстро потеряет свою способность поглощать газы. Задача заключалась в том, чтобы заставить уголь работать хорошо и долго. Н. Д. Зелинский предложил наполнять коробки противогазов специально обработанным, так называемым активированным углем.
      Обычные угли, получаемые путем простого обжига различных пород древесины, ореховой скорлупы, плодовых косточек, торфа и различных каменных углей, имеют сравнительно малую активную поверхность, способную адсорбировать газы из окружающей среды. На поверхности таких углей уже прочно «сидят» молекулы различных продуктов разложения органических веществ, образовавшихся в процессе обжига первоначального материала. Поры этих углей забиты смолистыми веществами. Таким образом, доступ газов к элементарным кристалликам углерода, представляющим собственно активную рабочую поверхность адсорбента, закрыт. Кроме того, если температура при обжиге достаточно высока, то на поверхности угля может образоваться «графитовая кожица» — плотный слой из укрупненных кристалликов углерода, совершенно неактивных в смысле адсорбции газов или растворенных веществ.
      Угли, которые предназначаются для снаряжения противогазовых коробок, должны обладать способностью не только прочно задерживать большое количество паров и газов, содержащихся в отравленной атмосфере, но и задерживать их достаточно быстро. За время пути через противогазовую коробку, наполненную углем, отравленный воздух должен быть полностью очищен от всех примесей. Опыт показывает, что применяемый для этого уголь должен иметь наряду со сравнительно крупными, легко проходимыми для молекул ядовитых паров и газов порами — «коридорами» — большое количество мелких пор — ультрапор, с размерами порядка диаметра адсорбируемых молекул.
      Угли, обладающие такими свойствами, получаются путем специальной обработки обычных углей. Процесс, в результате которого значительно повышается скорость и величина адсорбции, называется активированием.
      Активировать уголь, то есть улучшать его адсорбционные свойства, можно различными методами. Промывая после простого обжига уголь соответственно подобранными растворителями, можно не только удалить с его поверхности вещества, мешающие адсорбции, но и растворить смолы, заполняющие его поры. Чаще активированные угли получают путем прокаливания их, после обычного обжига, в токе углекислого газа или водяного пара, а иногда воздуха (при ограниченном его доступе). При таком способе с поверхности удаляется не только «графитовая кожица», адсорбированные углеводороды и смолы, но и сжигается некоторая часть самого материала угля (углерода), благодаря чему его поверхность разрыхляется, увеличиваются размеры пор и даже изменяется структура частичек угля. На рисунке 9 приведены микрофотографии срезов исходного материала, угля-сырца, полученного простым обжигом, и угля, подвергнутого активации газообразными веществами. Снимки сделаны в проходящем свете, при увеличении в 200 раз. На этих снимках массивное вещество угля кажется белым, а поры — темными. Первая фотография (а) изображает срез скорлупы кокосового ореха; вторая (б) — срез угля-сырца после обычного обжига этой скорлупы; третья (в)—тот же уголь после активирования его водяным паром; четвертая (г) — уголь после активирования воздухом. Нетрудно видеть, что в процессе активирования поры значительно расширяются, что делает доступным для газов внутренние слои угля. В результате активирования пористость увеличивается в несколько раз, а поверхность одного грамма угля достигает сотен квадратных метров. Снаряженная таким углем коробка противогаза будет долго и надежно работать в атмоофере, отравленной ядовитым газом.
      У читателя может возникнуть вопрос: почему на активированном угле в противогазовой коробке происходит адсорбция только вредных примесей, а не задерживаются отдельные составляющие части воздуха, например кислород или азот? В самом деле, почему же через коробку свободно проходят любые количества воздуха, но достаточно в нем появиться ничтожным количествам ядовитых примесей, как они сразу же будут схвачены и задержаны углем?
      Неверно было бы утверждать, что кислород, азот и другие составные части воздуха не адсорбируются углем. Уголь насыщается воздухом еще в процессе его приготовления. Ведь уголь все время находится в соприкосновении с атмосферой, и, конечно, вся его активная поверхность уже занята молекулами воздуха.
      Когда через уголь проходит воздух, имеющий в себе примеси других газов или паров, между молекулами начинается настоящая борьба за место на поверхности адсорбента. Каждый газ стремится занять эту поверхность и вытеснить с нее другой газ. Победителем из этой борьбы выходит тот, который обладает большей адсорбционной способностью. Если адсорбционная способность двух газов примерно одинакова, то они оба будут удерживаться поверхностью в приблизительно равных количествах. Если же адсорбционная способность одного из них много больше, чем другого, то первый займет практически всю активную поверхность адсорбента, вытеснив с нее другой газ. К счастью, газы и пары, подлежащие удалению из воздуха, имеют настолько высокую адсорбционную способность, что роль воздуха в этом процессе не принимается даже в расчет — настолько малые его количества адсорбируются углем.
      Поверхность угля можно насытить любым газом в такой степени, что дальнейшая его адсорбция прекратится. Поэтому любой противогаз может работать лишь определенное время. Пребывание в зараженной атмосфере сверх положенного срока может вызвать «проскок» через противогаз ядовитых газов и повлечь за собой отравление.
      Коробки современных противогазов снаряжаются не только активированным углем, но и фильтрами для очистки вдыхаемого воздуха от частиц дыма. Такие противогазы в течение положенного времени надежно защищают человека от всех ядовитых газов, паров и дымов.
      В районе взрыва атомной бомбы воздух может оказаться зараженным радиоактивными веществами. Одной из характерных особенностей радиоактивных веществ является то, что они, так же как и многие боевые отравляющие вещества, могут не иметь специфического запаха, цвета и других внешних признаков. При вдыхании такого воздуха людьми и животными возможно попадание радиоактивных веществ внутрь организма.
      Воздух может быть заражен также специально приготовленными радиоактивными веществами, так называемыми боевыми радиоактивными веществами, которые могут применяться в виде жидкостей, порошков или дымов. Не исключена возможность применения боевых радиоактивных веществ в смеси с отравляющими веществами.
      Противогаз надежно защищает от попадания радиоактивных веществ в дыхательные пути, а также от заражения ими кожных покровов лица и головы.
      Правила пользования противогазом при защите от радиоактивных веществ такие же, как и при защите от боевых отравляющих веществ.
      В случае отсутствия противогаза в качестве подручных средств для защиты органов дыхания от радиоактивной пыли, поднимаемой атомным взрывом, могут быть использованы: полотенце, носовой платок, вата, марля. Полотенце, носовой платок, вату или марлю необходимо сложить в несколько слоев, смочить водой, наложить в виде повязки на нос и рот и дышать через нее.
      Поражающее действие боевых радиоактивных веществ такое же, как и радиоактивных веществ, образующихся при взрыве атомной бомбы.
      Важную роль играет адсорбция в радиохимии. Радиохимия занимается получением, разделением, очисткой и изучением свойств различных радиоактивных веществ.
      Количества радиоактивных веществ, которые получаются при ядерных реакциях, обычно очень малы, так что радиохимику часто приходится иметь дело с «невесомыми» их количествами. Радиоактивные вещества адсорбируются на стенках сосудов, на фильтровальной бумаге или на осаждающихся из раствора солях и вследствие этого легко могут быть потеряны исследователем.
      Допустим, что водный раствор радиоактивного вещества находится в стеклянном стакане. Стекло представляет собой аморфный силикат натрия. В водном растворе место атомов натрия при соответствующих условиях могут занимать атомы радиоактивного элемента. Если учесть, что на один квадратный сантиметр поверхности приходится примерно 1014 атомов натрия, то на поверхности стекла в 100 квадратных сантиметров может адсорбироваться, например, радия несколько миллионных долей грамма. Практически же нередко приходится иметь дело с растворами, содержащими значительно меньшее количество радиоактивного вещества, и все оно может адсорбироваться стеклом. Подобное явление, конечно, имеет место и при обычном химическом анализе, но количество адсорбированного при этом вещества настолько мало по сравнению с его общим количеством, что остается незамеченным.
      С другой стороны, явление адсорбции является очень ценным, когда речь идет о выделении малых количеств вещества. Например, благодаря радиоактивному распаду урана в нем всегда находится небольшое количество радиоактивного тория. На один грамм урана приходится всего лишь одна стомиллиардная доля грамма тория. Как можно выделить такое незначительное количество вещества? Применить обычное химическое осаждение здесь нельзя, так как торий при подобном осаждении не образует сколь-нибудь заметного осадка, а выделяется в виде ультрамикроскопических коллоидных частиц, которые весьма трудно уловить. На помощь приходит адсорбция. К раствору добавляют третье вещество, так называемый инертный носитель. Это чаще всего соли алюминия, железа, олова или титана. При последующем добавлении к раствору аммиака образуются рыхлые, студнеобразные и с большой поверхностью осадки — гидроокиси этих металлов. На этой вновь образованной поверхности и происходит адсорбция тория, находящегося также в виде гидроокиси. Дальнейшее разделение ведут уже чисто химическими методами; иногда прибегают к электрохимическому осаждению радиоактивного элемента.
     
      7. КАК ОБОГАЩАЮТСЯ РУДЫ
     
      Задача отделения веществ друг от друга очень часто встает перед человеком, и решить ее особенно трудно именно тогда, когда оба вещества — твердые. Как правило, металлы мы получаем из руд. Природа же далеко не всегда дает нам богатую ценным минералом руду, Большинство руд содержит в себе слишком мало «полезного» вещества — вещества, ради которого ведется добыча руды. Часто полезные минералы всего лишь рассеяны в виде мелких зерен в массе пустой породы. К таким рудам относятся свинцовые, цинковые и многие другие руды цветных и редких металлов, нашедших широкое применение в современной военной технике.
      Необходимый для производства атомной энергии и атомного оружия металл — уран — встречается в природе главным образом в виде минералов уранинита и урановой смоляной руды. Оба эти минерала обычно находятся в земле вместе с другими минералами: уранинит — с полевым шпатом, слюдой, цирконом, турмалином и другими; урановая смоляная руда часто залегает совместно с пиритом, халькопиритом, баритом, флюоритом, с сульфидами и арсенидами различных металлов.
      Каким же путем можно отделить ценный минерал, содержащийся в руде от пустой породы? Иными словами, как обогатить руду? Эту очень сложную и важную задачу также решает наука о коллоидах.
      Всыпьте в воду угольный порошок, налейте немного бензина и хорошенько взболтайте. Когда смесь отстоится, вы увидите, что в нижнем слое будет чистая вода, а легкий, не смешивающийся с водой бензин всплывет наверх и увлечет с собой весь уголь (рис.10, а). Но если вы возьмете вместо угля порошок глины и проделаете с ним то же самое, то глина останется в воде, а вверху будет чистый бензин (рис.10,6). Почему это так?
      — Ничего удивительного! — может ответить читатель. — Уголь легче глины, и, конечно, он будет всплывать вверх, а тяжелые частицы глины постепенно опустятся на дно.
      Нет, здесь дело не в том, что уголь легче глины. Можно сделать так, что легкие крупинки угля будут в нижнем слое, а тяжелая глина — в верхнем. Заменим в нашем опыте бензин хлороформом. Эта жидкость тоже не смешивается с водой, но тяжелее ее. Попробуем взболтать сразу воду, хлороформ, глину и уголь. После отстаивания жидкостей наши порошки будут очень строго отсортированы! Уголь окажется в нижнем слое, в хлороформе, а частицы глины разместятся вверху, в слое воды (рис.10, в). Вот и выходит, что более тяжелые крупинки глины располагаются над легкими крупинками угля.
      Значит, объяснить первый опыт различной тяжестью частиц нельзя.
      Какие же силы увлекают более тяжелые частицы глины в верхний слой? Силы сцепления между молекулами, о которых мы уже упоминали, когда рассказывали об адсорбции.
      И молекулы хлороформа, и молекулы бензина очень сильно притягиваются к поверхности угольных крупинок. При встрече с крупинкой они быстро смачивают ее и увлекают с собой. Вода же, наоборот, не смачивает угля, как не смачивает она воск, парафин, любой жир. Силы сцепления отдельных молекул воды между собой гораздо больше притяжения молекул воды к углю. Получается так, как будто молекулы воды выталкивают крупинки угля, а бензин или хлороформ охотно принимают их в свою среду. Поэтому-то в наших опытах уголь оказывался или в слое бензина, или в слое хлороформа.
      Глина ведет себя иначе. Она совсем не смачивается ни бензином, ни хлороформом, но зато легко обволакивается молекулами воды. Поэтому крупинки глины и попадают в водный слой.
      Сила выталкивания несмачиваюшихся частиц из жидкости очень велика. Положите осторожно на поверхность чистой воды лезвие безопасной бритвы или плоский кружок из тонкого- листового железа диаметром в 12—15 сантиметров, смазанные тончайшим слоем жира (для этого, достаточно провести по. поверхности лезвия или кружка пальцами) —они не утонут, хотя железо и сталь почти в 8 раз тяжелее воды. Мало того, можно осторожно опустить на этот кружок несколько копеечных монет, и весь этот груз (рис.11) будет покоиться на поверхности!
      Посмотрите еще раз на рисунок 10, в. Вода «избирательно» смачивает глину, но не смачивает угля. Хлороформ тоже смачивает избирательно, но только уголь. Благодаря этому нам удалось отделить друг от друга эти два порошка. Так нельзя ли и для отделения ценной руды от пустой породы также воспользоваться избирательным смачиванием? Подобрать две несмешивающиеся жидкости, допустим, воду (она хорошо смачивает пустую породу) и какое-нибудь масло, смачивающее полезные минералы; размельчить руду и взболтать ее со смесью воды и масла, а после отстаивания слить верхний слой и отделить от масла обогащенную ценную породу.
      Это, конечно, возможно, но тут возникает другое затруднение. Представьте себе, сколько масла понадобилось бы для такого «обогащения». Ведь ежегодно во всем мире обогащаются сотни миллионов тонн руды!
      Но так ли необходимо большое количество масла? Ведь мы знаем, что достаточно тонкого жирового слоя на железной пластинке, чтобы она плавала на поверхности воды. Значит, и легкие крупинки минерала смогут вы-толкнуться водой вверх, если на их поверхности есть •хотя бы очень тонкий масляный слой. Нужно только суметь экономно его нанести. Эту задачу, как мы уже сказали, и помогает нам решить наука о коллоидах. Ведь масло можно раздробить на тончайшие пленки, отделенные друг от друга пузырьками воздуха. Говоря иначе, из масла можно получить коллоидную систему — пену. На громадной поверхности пленок масляной пены может скапливаться большое количество крупинок ценного минерала. Такой простой способ намного уменьшает расход масла, необходимый для обогащения руды.
      Сам процесс обогащения — флотация — ведется в специальных флотационных машинах. Схема процесса обогащения на одной из таких машин показана на рисунке 12. В камеру А поступает взвесь тонко измельченной породы в воде; сюда же из бачка Б добавляется очень немного специального реагента (обычно смесь масла с некоторыми другими специально подобранными веществами). Быстро вращающиеся мешалки засасывают в жидкость большое количество воздуха, при этом образуется много пены. Тончайшие пленки пены в несколько минут собирают на своей поверхности мелкие крупинки ценной породы (рис.13). Пена и взвесь пустой породы в воде уходят из камеры в ящик В. Здесь пустая порода спокойно оседает на дно, а пузырьки пены вместе со своим ценным грузом всплывают вверх (само слово «флотация» по-английски означает «плавание»). Затем пена направляется к специальным фильтрам, где разрушается и минерал отделяется от добавленных в начале процесса реагентов. Так получается «концентрат» руды. Полезного минерала в нем в десятки раз больше, чем в исходной породе.
      При всей своей кажущейся простоте процесс флотации очень сложен. Успех обогащения минерала зависит от очень многих условий, точное соблюдение которых является совершенно необходимым. Величина зерен минерала после размола, состав и свойства обогащаемой руды, иногда присутствие самых незначительных количеств какой-нибудь растворимой соли, конструкция и даже размеры флотационных машин — все это существенно влияет на правильный ход процесса флотации. Практически бывает также очень трудно подобрать те специальные вещества — реагенты, которые обеспечивают прилипание зерен полезного минерала к пузырькам, предотвращают прилипание к ним частиц пустой породы и создают достаточно устойчивую пену. Сам процесс захватывания зерен минерала пузырьками, который собственно и обеспечивает флотацию, долгое время оставался непонятным. Только в последние годы трудами советских ученых создана научная теория, объясняющая сложные процессы, имеющие место при флотации.
      Благодаря достижениям советской науки и накопленному большому практическому опыту стало возможным сознательно и быстро подбирать в каждом отдельном случае наиболее выгодные условия для проведения флотации в больших производственных масштабах.
     
      8. КОЛЛОИДНЫЕ ЧАСТИЦЫ И СВЕТ
     
      Мы уже знаем, что размеры самых больших коллоидных частиц выражаются десятыми долями микрона, а самых маленьких — тысячными долями микрона. Мы знаем также, что свойства дисперсных систем в известной мере определяются размерами частиц. Поэтому вполне естественно было желание исследователей воочию убедиться в существовании отдельных коллоидных частиц, зарисовать или сфотографировать их, изучить их движение, взаимодействие друг с другом и так далее.
      Но как это сделать? Коллоидные частицы столь малы, что в оптический микроскоп их увидеть нельзя. Надо было искать какие-то новые приемы исследования, создавать новые приборы, которые позволили бы глубоко заглянуть в мир коллоидов, наблюдать за коллоидными частицами и их поведением.
      Идти по пути усовершенствования оптических микроскопов, по пути увеличения их предела видимости, их разрешающей силы, это значит идти в направлении, которое заведомо не приведет к цели. Ибо современные оптические микроскопы выполнены настолько хорошо, что предел разрешающей силы уже не определяется их конструктивными недостатками. Разрешающая сила оптического микроскопа ограничивается длиной волны света, которым освещается исследуемый объект. Частицы, по размерам меньшие, чем половина длины волны этого света, даже в самый лучший микроскоп мы видеть не можем. А длины волн видимого света уже превосходят размеры коллоидных частиц. Поэтому, чтобы обнаружить существование таких малых частиц, нужно было искать новый путь решения задачи.
      Перед вами стоят два стакана. В один из них налит водный раствор поваренной соли, а в другой — какой-нибудь коллоид, например гидрозоль окиси алюминия или гидрозоль яичного белка. Можете ли вы сказать, в каком стакане истинный раствор и в каком золь?
      На вид обе жидкости совершенно одинаковы — прозрачны и бесцветны. Микроскоп помочь вам не может. Под микроскопом обе жидкости будут казаться вполне однородными или, как говорят, гомогенными. Но можно очень просто решить эту задачу. Наденьте на лампу светонепроницаемый футляр с отверстием, перед которым поставьте увеличительное стекло так, чтобы получился узкий пучок света. Затемнив комнату, поставьте на пути луча света поочередно или друг за другом оба стакана. Путь луча через стакан с раствором соли почти не будет виден. Но в стакане с золем вы отчетливо увидите светлую дорожку (рис.14). Частицы золя рассеивают падающий на них свет и сами становятся как бы маленькими светящимися точками. Они настолько малы, что каждая из них в отдельности невидима невооруженным глазом. Но при определенном освещении видна дорожка рассеянного ими света.
      Таким образом, даже не видя самой частицы, а наблюдая только исходящий от нее свет, мы уже можем сделать заключение о ее присутствии в том месте, откуда исходит этот свет. Такое наблюдение удается сделать только тогда, когда мы смотрим сбоку, а не вдоль освещающего луча.
      Знакомо читателю и такое явление. Представьте, что вы находитесь в комнате, залитой ярким светом. Воздух в ней вам кажется чистым. Но если солнечный луч врывается через какую-нибудь узкую щель в эту же самую комнату, но теперь затемненную, то мы приходим в удивление: какая масса пыли находится в воздухе, которым мы дышим! Мы видим, как в светлой полоске луча кружится и мечется из стороны в сторону бесчисленное множество пылинок. Эти пылинки настолько велики, что их размеры, конечно, во много раз превосходят длину волны солнечного света, и мы видим их не благодаря слабому рассеянному ими свету, а благодаря более сильному, отраженному ими свету. Если бы пылинки имели размеры коллоидных частиц, тогда мы не различили бы простым глазом отдельных пылинок, а заметили бы лишь светлую дорожку рассеянного ими света, как в коллоидном растворе.
      Наблюдение рассеянного коллоидными частицами света — вот путь, по которому пошли ученые. Этот путь, однако, не так прост, как может показаться на первый взгляд.
      Итак, на коллоидных частицах происходит светорассеяние во всех направлениях, и сама частица уже играет роль самосветящейся точки.
      Явление светорассеяния само по себе не является исключительным свойством коллоидов. Оно присуще и другим дисперсным системам, размеры частиц которых выходят за пределы коллоидной области. Но особенно ярко явление светорассеяния проявляется именно для частиц коллоидного размера. Коллоидные частицы рассеивают свет наиболее интенсивно. Более крупные и более мелкие по размерам частицы рассеивают видимый свет слабее, чем коллоидные частицы. Поэтому рассеяние света является одним из чрезвычайно тонких методов отличия коллоидных растворов от других дисперсных систем и в частности от истинных растворов.
      Известно, что луч белого цвета, например солнечного света, имеет в своем составе лучи с различной длиной волны. Всякий белый луч состоит из ряда цветных лучей: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Красные лучи имеют наиболее длинную волну, фиолетовые — наименьшую.
      Лучи различного цвета, то есть, другими словами, различной длины волны, рассеиваются коллоидными частицами по-разному. Фиолетовые и синие лучи рассеиваются приблизительно в 15 раз больше, чем оранжевые и красные. Если мы будем смотреть, например, на коричневый золь серебра сбоку по отношению к падающему свету, то он покажется нам голубоватым, так как в наш глаз будут попадать из раствора только те лучи, которые рассеяли частицы. А в прошедшем через раствор свете окажутся главным образом красные и оранжевые лучи.
      Прекрасным примером такого избирательного светорассеяния газами является наша атмосфера. Хотя интенсивность рассеяния в этом случае очень слабая, но благодаря огромной толще воздуха явление хорошо заметно и проявляет себя в типичной голубой окраске небесного свода.
      До недавнего времени предполагали, что центрами светорассеяния являются тончайшие частицы пыли, взвешенные в воздухе. Но теперь доказано, что основной причиной, обусловливающей светорассеяние в атмосфере, является не пыль, а так называемые флуктуации, то есть колебания плотности воздуха в различных, хотя и очень небольших, объемах пространства.
      Дело в том, что отдельные молекулы воздуха не распределены в пространстве совершенно равномерно. Благодаря беспрерывному тепловому движению в каком-то определенном небольшом объеме их может в данный момент оказаться больше, чем в таком же соседнем объеме. Следовательно, в первом объеме плотность воздуха станет больше, чем во втором, а это вызывает, как скажут физики, изменение показателя преломления среды, через которую проходит свет. Объемы с повышенной плотностью играют роль коллоидных частиц и рассеивают главным образом голубые и синие лучи. В свете, который они разбрасывают в разные стороны, очень мало красных лучей и много голубых и синих.
      Тем же явлением рассеяния объясняется красный цвет утренних и вечерних зорь. Прямой солнечный луч, проходя большой путь в атмосфере, рассеивает преимущественно синие лучи, а до нас доходят главным образом красные и оранжевые. Поэтому и само Солнце и небо около него кажутся нам оранжево-красными или красными.
      При затемнениях во время войны обычные лампочки заменялись синими. Это делалось потому, что синие лучи сильнее рассеиваются коллоидными частицами, находящимися в воздухе, и благодаря этому свет от синих ламп виден с самолета хуже, чем, например, от красных лампочек. Так как лучи с большой длиной волны меньше рассеиваются в атмосфере, они способны проходить в ней большие расстояния без существенного ослабления. Такими лучами в видимой части спектра являются лучи красного цвета. Еще лучше в этом отношении лучи невидимого участка спектра — инфракрасные лучи. Способность этих лучей проходить через облака, туман, твердые коллоидные взвеси, всегда имеющиеся в том или другом количестве в атмосфере, положена в основу нового метода фотографирования ночью и в туманную погоду предметов, находящихся на больших расстояниях, достигающих иногда нескольких сот километров. Любые лучи с меньшей длиной волны в значительной степени поглощаются и рассеиваются на этом пути.
      Почему мы не видим в обычном оптическом микроскопе рассеянный коллоидной частицей свет? В обычном микроскопе мощный поток световых лучей проходит через рассматриваемый объект, находящийся на предметном столике, и поступает через оптическую часть микроскопа в наш глаз. Поле зрения в микроскопе освещено настолько ярко, что мы не можем заметить чрезвычайно слабого света, рассеянного частицей. Если исследуемая частица сравнительно велика, больше длины волны светового луча, она отбрасывает тень, по очертанию которой мы составляем себе представление и о величине и о форме частицы. Но коллоидные частицы слишком малы — они не дают тени, и подобным методом их обнаружить нельзя.
      Если мы хотим обнаружить коллоидную частицу по рассеянному ею свету, то надо построить прибор так, чтобы можно было устранить всякий иной свет, кроме исходящего от нее, то есть рассматривать ее на темном фоне. Это, во-первых. Во-вторых, надо стремиться к тому, чтобы частица рассеивала как можно больше света, в противном случае ее трудно будет заметить даже на темном фоне. Яркость рассеиваемого частицей света повышается с ростом интенсивности освещающего ее луча. Следовательно, надо пользоваться сильным источником света, например, электрической дугой или солнечным светом. И, наконец, в-третьих, надо иметь микроскоп с соответствующей оптической характеристикой.
      В 1903 году такой прибор — ультрамикроскоп — был построен. Изобретение ультрамикроскопа составило новую эпоху в развитии учения о коллоидах. С помощью ультрамикроскопа коллоидная наука получила возможность наблюдать отдельные частицы и подробно исследовать коллоидные системы. Наиболее простая схема ультрамикроскопа изображена на рисунке 15. Свет от электрической дуги собирается первой линзой в параллельный пучок, из которого диафрагмой выделяется центральная его часть, и фокусируется второй линзой в маленьком стаканчике с коллоидным раствором. Встречая на пути коллоидные частицы, свет рассеивается ими во все стороны. Часть рассеянного частицами света попадает в микроскоп. Заглянем теперь в окуляр микроскопа. Перед нами предстанет интересная картина: на черном фоне то исчезают, то вновь появляются светящиеся точки (рис.16). Это — свет, рассеянный отдельными коллоидными частицами. Правда, самих частиц мы не видим — они слишком малы, — но тем не менее ультрамикроскоп позволяет решать много важных вопросов: подсчитать число частиц в растворе, вычислить их размер, изучить движение частиц, сделать некоторые выводы о строении частиц и даже определить их форму.
      Но имеет ли смысл говорить о форме частиц, которых мы даже не видим и только по световым сигналам догадываемся об их присутствии?
      Да, имеет. Предположим, что наши частицы имеют форму шариков. В таком случае, как бы ни повернулась такая частица в растворе, на нее всегда будет падать одинаковое количество света и одинаковую долю его частица будет посылать в окуляр. Поэтому в ультрамикроскопе мы увидим эти шарики в виде немерцающих точек. Но если частицы имеют форму палочек или Пластинок, мы будем наблюдать уже другую картину. Когда палочка повернется поперек падающего луча, она будет рассеивать много света, и мы увидим ярко светящуюся точку. Когда же палочка расположится вдоль направления луча или перпендикулярно к полю зрения микроскопа (будет «стоять» в растворе), в глаз попадет света меньше и светящаяся точка станет менее яркой. Поэтому палочки и пластинки будут казаться нам мерцающими точками.
      Теперь представим себе, что в ультрамикроскоп видны мерцающие точки. Как узнать, палочки это или пластинки? Для решения этого вопроса в ультрамикроскоп наблюдают текущий раствор. И если частицы имеют форму палочек, то в поле зрения ясно видна светящаяся шелковистая струя. Происходит это потому, что частицы-палочки располагаются в текущей струе так же, как и плывущее по реке бревно, — вдоль по течению, и мы видим светлые струящиеся нити. Это явление можно наблюдать и простым глазом: текущий мыльный раствор кажется нам шелковистым. Особенно хорошо это заметно, когда в воде растворено много мыла.
      Более двадцати лет назад был построен новый замечательный прибор — электронный микроскоп. С помощью этого прибора удается видеть частицы, в сто раз меньшие, чем в обычный микроскоп. И теперь мы уже можем видеть не только коллоидные частицы, но даже и «зародыши» их.
      Фотоснимок коллоидных частиц золя серебра, полученный с помощью электронного микроскопа, изображен на рисунке 17.
     
      9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И
      СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ
     
      В 1809 году профессор Московского университета Ф. Ф. Рейсс проделал такой опыт: в кусок влажной глины он вставил две стеклянные трубки (рис.18) В получившиеся стаканчики с глиняным дном он насыпал немного хорошо промытого песку, сверху налил воду и опустил туда металлические пластинки. Затем он подвел к пластинкам электрический ток. При этом ученый заметил, что в трубке с положительным полюсом появилась муть. Это частицы глины пробирались сквозь песок к положительно заряженной пластинке. В то же время в стаканчике с отрицательным полюсом поднимался уровень воды.
      Позже многие ученые проделывали подобные опыты с самыми различными коллоидными растворами и неизменно наблюдали, что частицы коллоидов перемещались к тому или другому из полюсов батареи. Такой перенос частиц током носит название электрофореза.
      В чем причина этого явления? Как известно, притягиваются только разноименно заряженные тела. Если частички глины идут к положительному полюсу, значит, они заряжены отрицательно. Вода же, очевидно, приобретает положительный заряд, так как она собирается около отрицательного полюса.
      Оказывается, одной из наиболее важных особенностей коллоидных частиц является то, что они почти всегда несут на себе электрический заряд. Это играет большую роль в нашей практической жизни. Приведем несколько примеров.
      При механизированном изготовлении кирпича применяется одна простая операция. Она заключается в том, что брус из влажной глины разрезается проволокой на отдельные кирпичи. Несмотря на свою простоту, такая резка нередко приводит к браку. Глина пристает к проволоке, и вместо того, чтобы резать, проволока мнет и крошит брус. Края у кирпичей получаются неровные, выщербленные. Чтобы избежать прилипания глины к проволоке, применяют смазку, которую непрерывно приходится возобновлять. Но можно обойтись и бег специальной смазки.
      Для этого следует соединить режущую проволоку с отрицательным полюсом источника тока, а брусок глины — с положительным. Тогда проволока начинает резать легко и чисто. При такой резке расходуется гораздо меньше энергии. Объясняется это тем, что частицы глины, как уже говорилось, несут отрицательный заряд, они отталкиваются от проволоки, которая заряжена также отрицательно. Проволока же покроется неплохой смазкой — тонкой пленкой воды.
      В начале этой книжки мы говорили о получении чистой глины отмучиванием. Этот способ слишком медленный и требует больших резервуаров. Можно получить совершенно чистую белую глину, необходимую для фарфорового производства, значительно проще. Нужно только использовать электрический заряд коллоидных частиц глины. Вот как это делается. Взмученную в воде глину по трубам накачивают в бак, в котором вращается большой свинцовый барабан (рис.19). Барабан соединен с положительным полюсом источника тока; к металлической сетке, которая служит фильтром, подведен отрицательный полюс. Коллоидные частицы глины осаждаются на барабане и снимаются с него деревянным ножом. Примеси и грубые частицы остаются в баке и выносятся с водою через боковые трубы.
      Используя электрические заряды коллоидных частиц, можно выделять каучук из сока каучуконосных растений, очищать воду от коллоидных примесей, удалять белки из сахарных сиропов и т. д.
      Откуда же у коллоидных частиц берется заряд?
      Вначале ученые предполагали, что заряд возникает на частице при трении ее о воду. Но вскоре было обнаружено одно интересное явление, которое опровергло такое предположение. Вот в чем оно заключается.
      Посмотрите на рисунок 20. В изогнутую трубку налит коллоидный раствор золота, туда же погружены проволочки, соединенные с полюсами источника тока. Частицы золота перемещаются к положительному полюсу. Это хорошо заметно по более темной окраске жидкости в левом колене. Значит, заряд коллоидных частиц отрицательный. Но если добавить в трубку (стотысячные доли грамма) раствора сернокислой соли алюминия, движение частиц к положительному полюсу замедлится. Прибавим еще немного соли, и мы увидим, что частицы перестали перемещаться к полюсам. Это можно объяснить только тем, что частицы потеряли заряд. Но ведь движение их в воде не прекратилось. Значит, трение о воду не может быть причиной заряда частиц.
      Будем продолжать опыт дальше. Добавим к раствору еще немного соли — коллоидные частицы золота начнут двигаться уже к отрицательному полюсу. Значит, они изменили знак своего заряда.
      Как же можно объяснить эти наблюдения? Не помогут ли они нам выяснить истинную причину заряда частиц?
      Когда мы растворяем сахар, получается молекулярный раствор, — в воде находятся отдельные молекулы сахара. Но существует много веществ, так называемых электролитов, молекулы которых при растворении распадаются на электрически заряженные частицы — ионы. Молекулы поваренной соли, например, состоят из атома натрия и атома хлора и при растворении распадаются на положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора. Так же распадаются при растворении и молекулы сернокислой соли алюминия, которую мы прибавляли в коллоидный раствор золота. В растворе будут находиться положительные ионы алюминия и так называемые сульфат-ионы, заряженные отрицательно.
      Что же происходит, когда мы начинаем прибавлять к коллоидному раствору золота соль алюминия? Частицы золота заряжены отрицательно. Значит, они будут притягивать к себе ионы алюминия. Поэтому заряд их будет постепенно уменьшаться; одновременно уменьшится скорость их движения к положительному полюсу. Вскоре наступает момент, когда коллоидные частицы золота становятся электрически нейтральными.
      Но как же объяснить, что в нашем опыте коллоидные частицы меняют свой заряд? Ведь электрически нейтральные частицы не смогут уже притягивать положительных ионов. Да, но оказывается, они могут адсорбировать ионы алюминия и таким путем приобретают положительный заряд.
      А теперь мы можем ответить и на вопрос о причине первоначального заряда коллоидных частиц. При получении коллоидных растворов в жидкости всегда находятся электролиты. Возникающие коллоидные частицы адсорбируют либо положительные, либо отрицательные ионы и таким образом заряжаются.
      Итак, то, что мы все время называли «коллоидной частицей», оказывается не просто маленькой крупинкой или капелькой какого-нибудь вещества. Коллоидная частица — это довольно сложное образование. В центре его находится ядро из молекул раздробленного вещества, а вокруг располагаются те или другие заряженные частицы — ионы. Так построены коллоидные частицы металлов, угля, серы и т. д.
      Однако и такая конструкция коллоидной частицы является еще незавершенной. Дело в том, что сидящие
      на поверхности ядра ионы взаимодействуют не только с молекулами этого ядра, но и с молекулами растворителя. Без этого взаимодействия нельзя коллоидно раздробленное вещество в сколько-нибудь значительных количествах удержать в растворителе, то есть нельзя получить коллоидный раствор. Остановимся на этом явлении несколько подробнее.
      Жидкие коллоидные системы, в которых раздроблено твердое вещество, мы очень часто называем коллоидными растворами. А имеем ли мы право их так называть? Давая такое наименование коллоидным системам, мы обязаны дать им исчерпывающую характеристику, которая полностью соответствовала бы понятию «раствор». А что такое — истинный раствор?
      Не достаточно ли будет истинный раствор охарактеризовать только раздробленностью растворенного вещества до размеров отдельных молекул? Не достаточно ли сказать об истинном растворе, что он представляет собою, при рассмотрении его в ультрамикроскоп, однородную (гомогенную) систему? Нет! Эти условия являются необходимыми, но еще недостаточными. Степень раздробления характеризует только некоторые из типичных свойств растворов, как, например, диффузию — взаимное проникновение молекул различных веществ, приведенных в соприкосновение друг с другом, или осмотическое давление — просачивание молекул веществ сквозь полупроницаемые животные или растительные перепонки и ткани. Но этого недостаточно для полного понимания свойств растворов.
      Д. И. Менделеев еще около 70 лет назад указывал, что при изучении растворов необходимо обязательно принимать во внимание взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами растворителя. Следовательно, истинный раствор мы должны характеризовать с двух сторон: количественной — степенью раздробленности вещества, и качественной — взаимодействием молекул растворенного вещества с молекулами растворителя.
      Отождествляя коллоидную систему с понятием «раствор», мы обязаны, очевидно, и для нее дать две характеристики: количественную и качественную.
      До сих пор мы учитывали только количественную сторону, взяв для этого за основу величину коллоидных частиц. Теперь мы должны дополнить характеристику коллоидов учетом взаимодействия раздробленного вещества с молекулами среды, в которой они находятся, то есть с молекулами растворителя. Но какое может быть взаимодействие крупинки коллоидно-раздробленного вещества с молекулами среды, если мы знаем, что для получения коллоидного раствора первым необходимым условием является исключительно малая растворимость раздробленного вещества.
      Когда, растворяя соль в воде, мы получаем истинный раствор, то мы говорим, что взаимодействие молекул соли с молекулами воды больше по величине, чем взаимодействие молекул соли друг с другом. Только при этом условии и возможно истинное растворение. Молекулы или ионы находятся в растворе не обособленно, а в виде каких-то комплексов, составленных из этих частичек и более или менее прочно удерживаемых около них молекул воды или другого растворителя. Такие комплексы называются сольватами, а сами оболочки, образованные из молекул растворителя, — сольватными оболочками. Если в качестве растворителя была употреблена вода, то оболочка называется гидратной. Добавление небольшого количества какого-нибудь растворимого в данной среде вещества приводит к адсорбции его ионов на поверхности коллоидных крупинок. Образовавшийся на коллоидной крупинке слой из ионов растворенного вещества играет роль посредника между нею и молекулами растворителя. Добавкой третьего вещества достигается то сродство поверхности коллоидных крупинок с молекулами растворителя, которое необходимо для существования устойчивого коллоидного раствора. Теперь, когда мы имеем налицо взаимодействие раздробленного вещества с растворителем, мы получаем право называть коллоидные системы растворами.
      Впервые на наличие сольватных оболочек на поверхности частиц указал А. В. Думанский. Годом позже эти наблюдения были подтверждены известным чешским ученым Гатчеком, а десять лет спустя — голландским ученым Кройтом. Таким образом, работы А. В. Думанского положили начало новому направлению учения о сольватации коллоидов, разработка которого продолжается и в настоящее время.
      Таким образом, структуру строения коллоидной частицы грубо можно представить себе так, как показано на рисунке 21. В центре находится раздробленное до коллоидных размеров твердое или жидкое «ядро» (малый круг). На поверхности этого «ядра» адсорбированы ионы (второй круг) и, наконец, жидкая оболочка, которая уплотнена у поверхности частицы и переходит далее постепенно к плотности окружающей среды — растворителя. Вся эта система носит название мицеллы.
      Как сохранить более или менее продолжительное время коллоидный раствор без того, чтобы коллоидно раздробленное вещество не выпадало в осадок из раствора, будет рассказано в следующем разделе.
     
      10. ЗАЩИТА КОЛЛОИДОВ
     
      В предыдущем разделе мы говорили о том, что заряд коллоидной частички — мицеллы можно уменьшать или увеличивать и даже изменить по знаку на обратный. Однако перезарядить коллоидную частицу удается далеко не всегда. В большинстве случаев даже ничтожное количество какой-нибудь соли вызывает большие изменения в растворах: коллоидные частички собираются в хлопья и выделяются из раствора, коллоидная система разрушается. Миновать нейтральное состояние частиц и сообщить им заряд противоположного знака очень трудно, и вот почему.
      Во всяком растворе все коллоидные частицы заряжены одинаково: все они имеют либо положительный, либо отрицательный заряд. И пока заряд сохраняется, между частицами действуют силы электрического отталкивания — это препятствует их слиянию. Столкновение таких частиц не приводит к соединению их друг с другом, и коллоид сохраняется в течение неограниченного времени. Но как только частицы становятся нейтральными, им ничто не мешает при столкновении легко соединиться друг с другом в более крупные частицы. Этот процесс слияния отдельных частиц называется коагуляцией.
      Под коагуляцией не следует понимать обязательное выделение вещества из раствора. Строго говоря, коагуляция начинается уже с того момента, когда под влиянием тех или иных причин начинается рост частиц. Увеличение размеров частиц может дойти вплоть до выпадения коллоидного вещества в осадок, но этот процесс может остановиться и на полпути. Все зависит от причины, вызывающей это явление, и прежде всего от свойств самой коллоидной системы.
      С явлением коагуляции коллоидов нам приходится сталкиваться часто. Читателю, вероятно, случалось наблюдать такое явление: в почти пустую чернильницу вы подливаете свежие чернила из новой бутылки и вдруг обнаруживаете в чернильнице мутную воду и грязные хлопья. Что случилось с чернилами?
      Чернила чаще всего представляют собою коллоидные растворы красок. Коллоидные частички различных красок бывают заряжены по-разному: они либо положительны, либо отрицательны. Зависит это от химического состава краски. И если вы получили в чернильнице мутную жидкость и осадок, то причина этого заключается в том, что в чернилах из бутылки частицы имели один заряд, а в чернильнице — другой. При смешивании разноименно заряженные частицы легко соединяются в хлопья, и нам ничего не остается, как только вылить содержимое из чернильницы и хорошо ее вымыть.
      Тушь не следует хранить на холоде. Вспомните предостерегающую надпись на этикетке: «беречь от мороза». Что же может случиться с тушью при охлаждении? Ведь тушь делается из сажи.
      Дело в том, что если выставить тушь на мороз, в ней начнет замерзать вода. При этом на долю коллоидных частиц остается все меньше и меньше растворителя. Растущие кристаллики льда теснят коллоидные частицы сажи друг к другу, и в конце концов происходит их коагуляция. Тушь становится непригодной.
      На сотни и тысячи километров несут реки свои воды. На своем пути они размывают берега, взмучивают осадки со дна и увлекают огромные количества мелких взвесей и коллоидных частиц различных веществ. Пока река течет по своему руслу, эти вещества не оседают. Но вот и устье. Мощным потоком воды реки вливаются в море. И как только пресная вода смешивается с морской водой, принесенные рекой вещества осаждаются. Почему это происходит?
      В морской воде растворено много различных солей. Ионы этих солей адсорбируются на заряженных частицах, принесенных рекой. Частицы разряжаются, соединяются в крупные хлопья и быстро оседают. Чем больше в море солей, тем скорее идет коагуляция. Вот почему вблизи устья рек, впадающих в море, на дне постепенно скапливается много ила, возникает множество островков и мелей. Так образовались дельты многих наших рек.
      Загрязненная вода рек и озер, прежде чем поступить в водопроводную сеть, очищается. Отстаиванием можно освободиться только от грубых взвесей. Но для удаления из воды коллоидных частиц необходимы другие способы. Как правило, частицы коллоидов в воде несут отрицательные заряды, они уже адсорбировали на своей поверхности соответствующие ионы. Для того, чтобы их разрядить, в воду добавляют немного солей, например, алюминиевых или железных квасцов. Положительные ионы этих солей имеют большие заряды. Они быстро нейтрализуют заряды мицелл, и тогда коллоиды коагулируют. После этого вода фильтруется через песок или другой фильтр и только затем уже поступает в водопроводную сеть.
      Мы уже говорили, что для коагуляции коллоидного раствора золота необходимы добавки ничтожных количеств соли. Но совсем другая картина будет наблюдаться, если мы возьмем коллоидный раствор какого-нибудь белка или концентрированный раствор мыла. Прежде всего уничтожение заряда на частице ничем не грозит такому раствору — он остается почти таким же устойчивым, каким был и до прибавления электролита. И для того, чтобы выделить мыло в осадок из раствора, требуются значительные количества солей (например, для «высаливания» мыла на мыловаренных заводах приготовляют почти насыщенный раствор поваренной соли).
      Такая стойкость характерна для большинства природных коллоидов. Что же так упорно защищает их частицы от слияния? Оказывается, частицы этих веществ способны очень прочно удерживать на своей поверхности воду, даже без всякой добавки третьего вещества. Образующаяся вокруг каждой частицы водная оболочка представляет собой своеобразный панцырь, хорошо предохраняющий частицу даже в том случае, если она лишилась своего заряда. Подтвердить такое большое сродство этих веществ к воде может сам способ получения из них коллоидных растворов. Ведь достаточно залить, например, кусочек гуммиарабика водой, чтобы частицы его самопроизвольно перешли в воду.
      Коллоиды, частички которых способны обволакиваться молекулами растворителя, получили общее название лиофильных коллоидов. В случае сродства коллоидных частиц к молекулам воды как растворителю коллоиды называют гидрофильными («гидрофил» значит — любящий воду). Типичными представителями гидрофильных коллоидов являются крахмал, гуммиарабик, желатина, агар-агар и многие другие.
      Когда мыло высаливается из раствора, оно не образует такого плотного порошка, какой дают при осаждении частицы золота. Получается студенистый осадок, увлекающий из раствора значительное количество воды. Это опять-таки следствие гидрофильности. Осадок гидрофильного коллоида может быть снова переведен в раствор — нужно только добавить к нему воду.
      Но перевести таким простым способом в раствор частицы, осажденные из коллоидного раствора какого-нибудь металла, невозможно. Да и сами эти частицы не увлекают с собой воды при коагуляции. Сродство их к воде мало. Поэтому коллоиды, частицы которых, будучи лишены адсорбированных на их поверхности зарядов, не могут удерживать у себя водных (гидратных) оболочек или оболочек, образованных другими растворителями, называют гидрофобными («гидрофоб» значит — не любящий воду), или, в общем случае, лиофобными.
      К гидрофобным коллоидам относятся многочисленные неорганические и органические коллоиды, являющиеся в подавляющем большинстве продуктами лабораторного и производственного приготовления. Это коллоидные металлы, некоторые красители, соли, такие, как, например, иодистое серебро, сернистый мышьяк, сернистая ртуть. Из природных КОЛЛОИДОВ к гидрофобным относятся воск, некоторые смолы (мастика) и другие.
      Коллоидные системы могут разрушаться под влиянием самых различных факторов. Введение посторонних веществ, особенно электролитов, действие света, изменение концентрации, нагревание или охлаждение — все это может привести к разрушению коллоидной системы. Практика часто выдвигает перед учеными задачу найти методы и средства, при помощи которых можно было бы остановить разрушение той или другой коллоидной системы. Решить подобную задачу не всегда легко, так как проблема устойчивости коллоидных систем — весьма сложная проблема. Изучением ее занимается большое количество ученых как у нас в Советском Союзе, так и за рубежом.
      Для решения проблемы устойчивости коллоидов много сделал талантливый русский ученый профессор Николай Петрович Песков. «Работы Пескова в Иванове, а затем в Москве, по исследованию устойчивости золей, положили в мировой науке начало учению о лиофильности и лиофобности коллоидных систем и выяснили значение этих основных свойств (до работ голландского исследователя Кройта) в проблеме устойчивости», — пишет академик П. А. Ребиндер.
      Изучая истинные растворы, мы совсем не интересуемся их устойчивостью. Независимо от того, находится ли растворенное вещество в виде отдельных молекул или ионов, истинный раствор всегда устойчив. Причиной такой устойчивости является сольватация, то есть, грубо говоря, обволакивание молекул или ионов растворенного вещества молекулами растворителя. Благодаря этому отдельные молекулы в истинном растворе не могут объединиться в крупные агрегаты и, находясь в беспрерывном движении, не осаждаются под влиянием силы земного тяготения. Они равномерно распределены по всему объему раствора.
      В отличие от истинных растворов, как мы уже знаем, коллоиды могут разрушаться сравнительно легко, раздробленное вещество при этом отделяется от растворителя. Здесь еще раз напомним, что коллоидный раствор может быть получен только при отсутствии истинного растворения. Поэтому для приготовления гидрофобного коллоида надо вначале прибегнуть к какому-нибудь искусственному приему размельчения этого вещества до частиц коллоидного размера, например к дроблению в коллоидной мельнице и т. п.
      Однако, если мы просто смешаем раздробленное вещество с растворителем, то не получим устойчивую коллоидную систему. Частички гидрофобного коллоида не взаимодействуют с молекулами воды, не обволакиваются водной оболочкой и при столкновении друг с другом легко объединяются в более крупные частички — агрегаты. В результате вся система быстро распадается, коллоидно раздробленное вещество отделяется от растворителя.
      Чтобы задержать процесс агрегации — образования крупных частиц, чтобы сохранить от разрушения коллоидную систему, надо защитить отдельные коллоидные частички так, чтобы при столкновениях они уже не могли объединяться друг с другом. Вот для этого и вводится в систему третье вещество. Чаще всего это какая-нибудь соль, распадающаяся в растворе на ионы. Ионы, адсорбированные на поверхности частички, во-первых, сообщают ей заряд определенного знака, во-вторых, окружают себя, а тем самым и коллоидную частицу, на поверхности которой они сидят, гидратной оболочкой. Теперь уже «одетая» и заряженная частичка при столкновении с другой такой же или даже незащищенной частичкой едва ли объединится с ней в одно целое.
      Сколько же надо добавить соли, чтобы защитить коллоидную систему от разрушения? Оказывается, не слишком мало, но и не слишком много. Если соли прибавлено к коллоиду недостаточно, для того чтобы покрыть целиком поверхность каждой частицы ионами, то часть поверхности остается незащищенной. Эта незащищенная часть поверхности коллоидной частицы является «уязвимым» ее участком. Столкновение двух частиц незащищенными участками приводит к их слиянию и вызывает коагуляцию. Система будет наиболее устойчива тогда, когда вся поверхность частичек покрыта адсорбировавшимися на ней ионами добавленной соли. Но вводить в раствор большое количество соли тоже нельзя. Это, как мы видели выше, приводит снова к разрушению системы, ее коагуляции.
      Итак, введенное в раствор третье вещество играет роль защитника частиц, или, как теперь говорят, сообщает частицам агрегативную устойчивость. Термин «агрегативная устойчивость» очень удачно введен в науку профессором Н. П. Песковым еще в 1922 году.
      До работ Н. П. Пескова многое в вопросе устойчивости коллоидных систем было непонятным. После того как был создан ультрамикроскоп, когда ученые получили возможность наблюдать за поведением отдельных коллоидных частиц, не осталось никакого сомнения в том, что эти частицы принимают участие в броуновском движении. Под действием ударов молекул растворителя коллоидные частицы не могут опускаться вниз по прямой вертикальной линии вследствие силы тяжести, а совершают сложный зигзагообразный путь. Этот путь оказывается для маленьких, раздробленных до коллоидных размеров частичек столь долгим, что в ряде систем частицам вообще никогда не суждено опуститься на дно сосуда, в. котором они находятся. Поэтому на вопрос о том, помогает ли участие коллоидных частиц в броуновском движении сохранению коллоидной системы, ее устойчивости, или, наоборот, разрушает ее, некоторые исследователи утверждали: — Да, броуновское движение сохраняет коллоидную систему, оно не позволяет частицам опускаться вниз, садиться на дно.
      В то же время другие исследователи расценивали роль броуновского движения в сохранении коллоидных систем с совершенно противоположной точки зрения. Они рассуждали так. При столкновениях друг с другом коллоидные частички могут объединяться в более крупные агрегаты, которым, конечно, легче опуститься вниз, чем мелким; броуновское движение способствует таким столкновениям, оно увеличивает возможность подобных встреч, значит, оно содействует и агрегации частиц, содействует разрушению системы.
      Кто же прав?
      Профессор Н. П. Песков своими исследованиями показал, что и то и другое утверждение при известных условиях справедливо. Влияние броуновского движения на коллоидную систему двойственно.
      Возьмем какую-нибудь относительно грубую взвесь* Пусть ее крупинки защищены так прочно и тщательно, что никакие удары не могут привести их к слипанию друг
      с другом. Будет ли такая система устойчива? Нет! Ее тяжелые большие частицы быстро осядут на дно. Про такую систему говорят, что она кинетически неустойчива. Значит, не одна агрегативная устойчивость определяет продолжительность существования системы.
      Раздробим это же самое вещество до коллоидных частиц и поместим его в растворитель, не принимая никаких мер для защиты. Кинетически такая система будет являться устойчивой, под влиянием броуновского движения ее маленькие частицы стремятся разойтись по всему объему. Участие частиц в броуновском движении противодействует силе земного притяжения, стремящейся увлечь их вниз. Но благодаря тому же броуновскому движению частицы получают возможность чаще встречаться друг с другом и, будучи незащищенными, объединяются при столкновениях в более крупные частицы, которые уже не могут удержаться в растворе и выпадают на дно. Система разрушается.
      Следовательно, не одна агрегативная и не одна кинетическая устойчивость определяют стабильность системы. Только наличие этих двух родов устойчивости — агрегативной и кинетической — делают возможным длительное существование коллоидной системы.
      В качестве примера агрегативно устойчивых систем можно назвать истинные растворы, конечно, если они не пересыщены и из них не выделяются кристаллы растворенного вещества. Типичные лиофобные не защищенные коллоиды, наоборот, представляют собой пример агрегативно неустойчивых систем.
      Лиофобный коллоид можно защитить не только путем добавки известного количества раствора соли или вообще электролита. Имеется и другой метод. Давно было замечено очень интересное явление. Если к раствору гидрофобного золя, например золя серебра, прибавить какого-нибудь гидрофильного коллоида, например белка, то устойчивость золя повышается. Молекулы белка адсорбируются на поверхности коллоидных частиц серебра и надежно защищают их от слияния. Защитное действие гидрофильных веществ (желатины, белков, клея и др.) имеет огромное практическое значение. Используя такую защиту, можно получить очень устойчивые гидрофобные коллоиды — различные лекарственные препараты (коллоидное серебро, коллоидные соли ртути и висмута), тушь, графитовую смазку и т. д.
      Такого рода защита агрегативно неустойчивых золей с помощью гидрофильных коллоидов наблюдается только при вполне определенных количествах защитного коллоида. Если гидрофильного коллоида добавлено недостаточно, то вместо защитного действия получается обратная картина. При недостатке гидрофильного коллоида, когда его количества не хватает для того, чтобы покрыть полностью поверхность частичек гидрофобного коллоида, последний становится даже более чувствительным, чем был до этого, он коагулирует при меньших добавках электролита, чем раньше.
      В 1917 году профессор Н. П. Песков дал этому явлению теоретическое обоснование. Он считает, что понижение устойчивости, например, гидрата окиси железа или золота при добавке желатины происходит тогда, когда частиц желатины не хватает, чтобы покрыть всю поверхность гидрофобного коллоида, но достаточно, чтобы отнять у него имеющиеся защитные ионы электролита. К тому же результату, но значительно позже пришел и целый ряд других ученых. Ныне теория Н. П. Пескова является общепринятой.
      При таком методе защиты гидрофобный золь принимает все свойства того гидрофильного золя, которым он защищен. Поверхность золя в этом случае покрыта частицами гидрофильного коллоида. А так как все индивидуальные отличия коллоида определяются не его веществом, а свойствами его поверхности и адсорбированными на ней различного рода стабилизаторами, то отсюда становится понятной причина приобретения гидрофобным коллоидом свойств гидрофильного коллоида. Подтверждение этому можно видеть, наблюдая поведение золя золота, защищенного желатиной. Такой золь не разрушается от добавки электролитов, он может быть высушен и снова переведен в коллоидный раствор как типичный гидрофильный коллоид. Он осаждается теми же самыми реактивами, которыми осаждается желатина, например танином.
      Итак, что надо принять за основной фактор защиты коллоидных систем от разрушения? На современном уровне наших знаний надо сказать, что устойчивость коллоидов обусловлена образованием гидратных оболочек вокруг частиц раздробленного вещества. В случае гидрофобных коллоидов образование таких оболочек обязано присутствию на поверхности частичек адсорбированных ионов третьего введенного в систему вещества. В случае гидрофильных коллоидов образование оболочек может происходить как благодаря присутствию ионов, так и, повидимому, благодаря особым свойствам самих веществ, используемых для приготовления коллоидных систем.
      Открытие защитных явлений имеет очень большое практическое значение. Благодаря им оказалось возможным приготовлять устойчивые золи таких веществ, которые играют чрезвычайно важную роль в медицине, в технике и в военном деле (некоторые дегазирующие и зажигательные вещества). Кроме того, защищенные коллоиды могут храниться в высушенном виде, что является особенно ценным при их транспортировке.
      Однако вопросы защиты коллоидов сейчас еще нельзя считать окончательно решенными. Над этой проблемой работают многие наши ученые. Вооруженные диалектическим методом познания природы, они выдвинули советскую коллоидную науку на первое место в мире.
     
      11. ДЫМ, ПЫЛЬ И ТУМАН
     
      До сих пор мы говорили главным образом о коллоидных частицах, распределенных в жидкостях. Познакомимся теперь с такими системами, в которых средой для мелко раздробленных частиц является газ, воздух. Это — дым, пыль и туман.
      Окружающий нас воздух никогда не бывает совершенно сухим. В нем всегда имеются пары воды. Их особенно много над морем. Кроме водяных паров и капелек воды, в атмосфере почти всегда есть мелкие твердые частицы.
      Взвешенные в воздухе капельки воды образуют туман и облака, а твердые частицы — пыль и дым.
      Отличить туман от дыма и пыли не составляет особого труда. Но как отличить дым от пыли?
      Мы привыкли различать эти две системы очень просто — по их происхождению. Так, мы никогда не говорим: «из трубы валит пыль» или «на дороге стоит дым». Действительно, если бы мы увидели, скажем, что ветер уносит частицы золы и сажи из лежащей на земле кучи, то назвали бы это не дымом, а пылью. Между тем именно эти частицы и несут с собой газы, выходящие из горящей печи. Таким образом, правильно сказать, что и пыль и дым могут состоять из одних и тех же веществ. Но обычно считают, что пылинки крупнее частиц дыма. Если размеры частиц больше одной сотой доли миллиметра, то это пылинка. Если же частицы имеют коллоидные размеры, то это уже дым.
      Частицы пыли лежат за пределами коллоидной области. Но с коллоидными частицами их объединяет много общих свойств. Например, подобно коллоидам небольшое по весу количество пыли обладает значительной поверхностью. Поэтому пыль также находит себе место в науке о коллоидах.
      Частицы дыма, пыли и тумана движутся в воздухе гораздо свободнее, чем коллоидные частицы в жидкости. Поэтому такие частицы могут подниматься очень высоко. Это понятно: воздух имеет меньшую вязкость, чем любая жидкость, и частицы встречают на своем пути совсем незначительное сопротивление.
      Крупные частицы не могут долго удерживаться в воздухе. Сила тяжести заставляет их падать вниз, поэтому они не улетают далеко от места своего образования. На скорость оседания влияет и вес пылинок, и их величина, и форма. Пылинка алюминия, например, радиусом в одну десятую миллиметра падает со скоростью нескольких метров в секунду. Чтобы совершить тот же путь, древесной пылинке радиусом в две десятитысячные доли миллиметра понадобится приблизительно месяц. Пылинки в виде шариков или кубиков падают быстрее, чем такого же веса пылинки, имеющие форму листочков.
      Есть еще одно обстоятельство, которое сильно сказывается на скорости падения пылинок. Дело в том, что молекулы воздуха никогда не находятся в покое. Со скоростью, примерно равной скорости пули при выстреле, они беспорядочно движутся, сталкиваются друг с другом и разлетаются после удара в разные стороны. В одном кубическом сантиметре воздуха за одну секунду происходит больше пяти миллиардов таких столкновений, и вы можете себе представить, каким градом ударов награждают суетливые молекулы каждую из пылинок, находящихся в воздухе.
      Однако не все пылинки чувствуют эти удары в одинаковой степени. Ведь пылинка размером в одну сотую долю миллиметра по сравнению с молекулой воздуха — настоящий великан. Ее размеры превосходят величину отдельных молекул во много миллиардов раз. И если на такую пылинку с разных сторон будет одновременно налетать множество молекул, в итоге они не окажут на нее никакого действия. Даже если с одной стороны налетит на тысячу молекул больше, чем с другой стороны, то и в этом случае пылинка-великан не изменит направления своего движения. Совсем в ином положении оказывается пылинка размером в одну десятитысячную долю миллиметра. Удары небольшого числа избыточных молекул с какой-нибудь стороны уже чувствительны для нее: она отклоняется в ту сторону, откуда ударов будет меньше. В следующее мгновение она может быть подвергнута атаке избыточного числа молекул уже с другой стороны и снова будет принуждена отступить под их ударами. В результате таких воздействий со стороны молекул воздуха наша пылинка будет падать вниз, но не по отвесной, а по самого причудливого вида зигзагообразной линии.
      Если размер пылинки не превышает десятитысячную долю миллиметра, то сила земного притяжения оказывается значительно слабее, чем сила ударов молекул. В таких случаях пылинка уже лишается преимущественного направления движения вниз — всякое направление становится для нее одинаково вероятным. Поэтому она может как угодно долго носиться в воздухе, совершая при этом порой очень далекие путешествия. Так легкую синеву дыма можно видеть в течение нескольких недель на расстоянии в десятки и сотни километров от места лесных пожаров. Дым из фабричных труб при благоприятном ветре совершает путешествие в сотни километров, а мелкая вулканическая пыль может оставаться в верхних слоях воздуха в течение многих лет и совершить за это время не одно кругосветное путешествие. Например, в 1883 году при извержении вулкана Кракатау (в восточной части Индийского океана) в атмосферу были выброшены огромные клубы мелкой пыли. Эта пыль образовала вокруг земного шара на большой высоте слой, который сохранялся в воздухе больше пяти лет!
      В воздухе над Центральной Европой была найдена пыльца с цветов, которые растут только в Африке и в Южной Америке.
      Благодаря тому, что частицы пыли могут долго держаться в воздухе, наша атмосфера никогда не бывает чистой. На улицах городов в сухую погоду в одном кубическом сантиметре воздуха может содержаться более ста тысяч пылинок. Над Атлантическим океаном их немного более тысячи, в высокогорных районах вдали от крупных населенных и промышленных центров — всего несколько десятков в одном кубическом сантиметре.
      Вполне естественно, что в верхних слоях атмосферы воздух чище, чем в нижних. На высоте двух километров пыли примерно в 50 раз меньше, а на высоте пяти километров — в 1000 раз меньше, чем в ста метрах от поверхности Земли.
      Откуда же берется пыль? Где находятся те источники, которые подчас превращают чистый воздух, так необходимый всему живому в природе, в удушливое облако?
      Эти источники есть всюду.
      Одна из причин образования пыли — выветривание различных минералов. Горные породы нагреваются солнцем неравномерно. Это приводит к образованию трещин. В трещины попадает активный геологический деятель — вода. Этот вечный труженик частью растворяет минерал, частью вымывает из него мелкие крупинки и уносит их с собой. Высыхая, вода оставляет на своем ложе мелкий порошок. Не менее разрушительно действует на породы замерзающая в них вода. Когда порода достаточно раздроблена, за работу принимается ветер. Он подхватывает и уносит мелкие пылинки далеко от места их рождения.
      Богатейшие источники пыли — немощеная дорога и почва, лишенная растительности. Вспомните, какие клубы пыли поднимает с нее в сухую погоду ветер или едущий автомобиль.
      Пыль прилетает на Землю и из межпланетного пространства. Это, во-первых, распыленные продукты распада метеоров и, во-вторых, потоки пыли с Солнца, гонимые к нам давлением света. Такой пыли особенно много в верхних слоях атмосферы.
      Пыль в воздухе над морем — это главным образом мелкие кристаллики соли, образующиеся при испарении брызг морских волн.
      Нельзя не сказать и об «искусственных источниках» пыли. Ведь добыча руд, угля, промышленная обработка различных минералов, растительных и животных материалов — все это сопровождается образованием пыли. Цементные, металлургические, химические, керамические, деревообделочные, текстильные, суконные заводы и фабрики, мукомольные производства и многие, многие другие при работе неизбежно являются источниками пыли.
      Но одним из самых главных источников пыли, особенно в крупных промышленных районах, являются топки, где сжигается различного вида топливо.
      Дым, образующийся при горении угля, дров, нефти и так далее, — это смесь газов (остатки воздуха и продукты горения: углекислый газ, окись углерода, водяные пары), к которым примешано множество мельчайших частиц несгоревшего угля и золы, а также мелкие капли воды и различных смолистых веществ. Состав дыма зависит прежде всего от того, что сжигается: уголь в топке паровоза, керосин в лампе или дрова в печи; с какой целью сжигается: чтобы получить пар, осветить комнату или нагреть помещение; в чем сжигается: в усовершенствованной топке с приспособлениями для регулирования подачи воздуха, искусственной тягой и правильно рассчитанной системой дымоходов или в обыкновенных печах домашнего отопления. Наконец, состав дыма зависит и от искусства истопника: у неопытного кочегара густой черный дым валит чаще, чем у кочегара, умеющего управлять процессом горения.
      Цвет дыма, пыли и тумана зависит не только от количества частиц в воздухе, но и от величины этих частиц.
      Дым, выходящий из заводских труб, обычно содержит много крупных частиц и благодаря этому имеет черный цвет. Но крупные частицы, как мы уже знаем, — временные спутники дыма; они быстро оседают уже на территории завода или поблизости от него. После оседания крупных частиц золы и сажи остается голубоватая дымка, которую мы и видим над большими промышленными городами. Выхлопные газы от двигателя внутреннего сгорания обычно голубоватые, почти прозрачные, потому что содержащиеся в них твердые частицы очень мелки.
      Точно так же густой предутренний туман с восходом Солнца может стать совсем прозрачным, так как капельки тумана постепенно испаряются и уменьшаются в размерах.
      На первый взгляд кажется, что разного рода промышленные предприятия — не столь уж существенные источники запыления атмосферы, чтобы принимать их в расчет. Но это не так. Жители промышленных центров хорошо знают, как много пыли собирается за зиму между рамами окон, даже хорошо проклеенных бумагой. Источником ее является главным образом дым.
      Установлено, что в течение года на каждый квадратный километр территории Лондона выпадает около трехсот тонн сажи и золы, а в городе Глазго — до пятисот тонн. И если бы сажа и зола не смывались дождями и не поднимались снова в воздух ветром, то за год они покрыли бы улицы города слоем толщиною в несколько сантиметров.
      Насколько сильно отбросы, поступающие в атмосферу от промышленных предприятий, засоряют воздух, можно видеть из такого любопытного факта. В Англии в 1921 году из-за отсутствия каменного угля многие предприятия бездействовали. Благодаря этому оказалось, что уже к концу третьего месяца пыли в воздухе было в два раза, а сажи и золы в три раза меньше по сравнению с теми же месяцами других лет, когда фабрики и заводы работали нормально.
      Теперь может возникнуть вопрос: если пыль образуется все время и число мелких частичек в воздухе непрерывно растет (мелкие частицы не оседают), то почему же мы до сих пор видим голубое небо? Ведь за многие миллионы лет в атмосфере накопились бы тучи мелкой пыли, которая навсегда закрыла бы от нас и голубое небо и солнце.
      Ответ на это очень прост. Вспомните, что на дне ведра, в котором был растоплен снег или собрана дождевая вода, всегда оказывается порядочное количество осадка. Это — пылинки, принесенные дождевыми каплями или снежинками из воздуха.
      Когда в воздухе собирается достаточное количество водяных паров, они начинают сгущаться, конденсироваться в мелкие капли и образуют туман или облака.
      При благоприятных условиях капельки или кристаллики облаков вырастают, и тогда на Землю падает дождь или снег. В чистом воздухе туман образуется только в том случае, когда воздух сильно пересыщен водяными парами. Но если в воздухе есть пылинки, то конденсация наступает легко и при небольшом избытке водяного пара. Пылинки играют роль центров конденсации, помогают отдельным молекулам воды соединиться в каплю или снежинку.
      Вы, вероятно, не раз замечали, как в ясный день самолет, летящий на большой высоте, оставляет после себя след в виде белой полосы. Почему образуется эта полоса? В высоких слоях атмосферы водяной пар часто может быть пересыщенным. А так как там пыли очень мало, то заметной конденсации не происходит. Но вот появился самолет. Из его мотора выбрасываются выхлопные газы. Они содержат пыль и частицы коллоидных размеров, поэтому в воздухе тотчас же начинается конденсация — чистое голубое небо пересекает белая дорожка.
      Дождевая капля, образовавшаяся благодаря конденсации паров на пылинке, по своему строению напоминает орех: внутри находится твердая частица, а снаружи ее обволакивает «скорлупа» из воды.
      Вес дождевой капли уже настолько велик, что она опускается очень быстро. По дороге она захватывает другие пылинки и, нагруженная ими, падает на землю (вот откуда в ведре появляется осадок). Поэтому после дождя воздух становится чище и прозрачнее. Поэтому в районах больших промышленных городов туман и дожди наблюдаются чаще, чем в тех местах, где пыли в воздухе меньше.
      Так дождевые капли и снежинки очищают нашу атмосферу.
      Дым может образоваться не только при горении, но и в результате химического взаимодействия негорючих веществ. Если, например, поставить рядом две открытые склянки, в одной из которых налита крепкая соляная кислота, а в другой — крепкий нашатырный спирт (аммиак), то в воздухе образуется белый дым. Это — маленькие твердые частички нашатыря. Он получается при химическом соединении паров аммиака и соляной кислоты.
      Есть такие вещества, которые при нагревании не плавятся, а сразу превращаются в пар, или, как говорят, возгоняются. При охлаждении паров таких веществ образуются опять-таки не жидкие капельки, а сразу твердые частицы. Подобные вещества применяют в военном деле для создания маскирующих дымовых завес. При горении дымовых шашек выделяется тепло. Оно идет на нагревание и возгонку вещества — дымообразователя. Пары дымообразователя, попадая в атмосферу, охлаждаются и быстро превращаются в очень мелкие твердые частицы, образуя дымовую завесу (рис.22). Чем мельче частицы дыма, тем гуще и устойчивее завеса.
      Имеется большое количество рецептур дымовых составов. Некоторые из них довольно схожи между собой.
      Многие дымовые смеси содержат в своем составе: хлористый аммоний, нафталин, бертолетовую соль, уголь и другие вещества.
      Хлористый аммоний и нафталин обычно являются в смеси дымообразователями, уголь и другие вещества — горючими компонентами, а бертолетовая соль — окислителем. Многие рецептуры составлены по этому же принципу, но с заменой одного компонента другим: бертолетовой соли — селитрой или хлорноватокислым натрием, угля — углеводами, нафталина — другими тяжелыми углеводородами.
      В качестве дымообразователя часто применяют каменноугольную смолу, антрацен, фенантрен, парафин и другие. Тяжелые углеводороды при нагревании с доступом воздуха способны гореть. Однако можно создать такие условия, что они будут сгорать только частично, значительная же часть углеводорода будет возгоняться с образованием вполне устойчивого дыма.
      Американский журнал «Лайф» в 1946 году сообщал, что химический корпус разработал способ распространения болезнетворных бактерий при помощи аэрозолей. Аэрозоли создаются путем распыления под высоким давлением через узкие отверстия маслянистых растворов, содержащих бактерии. Аэрозоли, по сообщению журнала, можно распылять не только с самолета, но и при помощи управляемых снарядов, сброшенных на парашютах бомб или пачек маленьких бомб, сбрасываемых, подобно зажигательным бомбам, непосредственно на цель. В докладе о бактериологической войне, опубликованном в 1947 году в США, об использовании аэрозолей говорится следующее: «Найдены точные методы образования и измерения «облаков», методы насыщения этих «облаков» микроорганизмами и способы изучения факторов, определяющих движение болезнетворных микробов в воздухе» (см. журнал «Вестник воздушного флота» №4, стр. 90—91, 1955 г.).
      В заключение кратко расскажем о пыли, образующейся при атомном взрыве.
      Атомный взрыв может быть произведен в воздухе, на поверхности земли, под землей или под водой. Соответственно различают воздушный, наземный, подземный или подводный взрывы (рис.23).
      Воздушным называется такой атомный взрыв, который происходит на высоте нескольких сотен метров от поверхности земли или воды. Точка на поверхности земли, над которой произошел воздушный взрыв, называется эпицентром взрыва (рис.24).
      Наземным называется такой взрыв, который происходит на поверхности земли или невысоко над землей.
      Подземным (подводным) называют такой атомный взрыв, который происходит под землей (водой).
      В момент воздушного атомного взрыва наблюдается ослепительно яркая вспышка (рис.25), озаряющая местность и небо на многие десятки километров. Вслед за вспышкой в районе взрыва возникает огненный шар. В результате выделения при атомном взрыве огромного количества энергии температура в центре огненного шара достигает миллионов градусов. Огненный шар быстро увеличивается в размерах, остывает, свечение его становится менее интенсивным и, наконец, совсем прекращается. Процесс возникновения и развития огненного шара длится несколько секунд.
      После остывания огненного шара на его месте образуется клубящееся облако, которое, быстро увеличиваясь, поднимается вверх. За ним с поверхности земли поднимается столб пыли, вследствие чего облако атомного взрыва приобретает характерную грибовидную форму (рис.26). Облако достигает высоты 10 и более километров.
      Со временем облако теряет Свою характерную форму н рассеивается.
      При наземном атомном взрыве вместо огненного шара образуется огненное полушарие. Облако при наземном атомном взрыве также имеет грибовидную форму.
      Раскаленные продукты взрыва при соприкосновении с поверхностью земли расплавляют верхний слой почвы. Для того, чтобы нагреть и испарить один грамм песка, являющегося типичной составной частью грунта, необходимо 2700 калорий тепла. Если считать, что при взрыве бомбы, эквивалентной по количеству выделяемой энергии взрыву 20 000 тонн тринитротолуола, на испарение почвы расходуется только пять процентов от всей энергии, то и в этом случае к газообразным составным частям огненного шара добавится около 360 тонн материалов грунта. В процессе дальнейшего охлаждения эти вещества будут выделяться в виде небольших твердых частичек, входящих в состав пылевого атомного облака.
      Принимая плотность частиц в атомном облаке равной плотности песка (двуокиси кремния), можно подсчитать время оседания частиц различного диаметра. Результаты расчетов времени оседания частиц с высоты порядка 12 километров приведены в следующей таблице.
      Диаметр частиц в микронах
      Время оседания в часах…
      Частицы, диаметр которых меньше 5 микрон, находятся в броуновском (беспорядочном) движении и поэтому могут оставаться в воздухе продолжительное время.
      Пыль, составляющая атомное облако, по своим свойствам существенно отличается от пыли, происходящей от других описанных выше источников. Она содержит продукты деления ядер атомов урана или плутония, искусственные радиоактивные вещества, образующиеся в момент взрыва из нерадиоактивных веществ, входящих в состав оболочки бомбы, почвы и других материалов, а также из части атомного заряда, не вступившего в реакцию при взрыве. Следовательно, пыль является радиоактивной и может как в районе взрыва, так и по пути движения облака служить источником заражения местности и воздуха.
      Степень радиоактивной зараженности местности при атомном взрыве, а также размеры зон заражения зависят от вида взрыва (воздушный, наземный, подземный, подводный), величины заряда бомбы, а также метеорологических условий, характера местности и грунта.
      При воздушном атомном взрыве основная масса радиоактивных продуктов взрыва поднимается вместе с облаком, не вызывая значительного заражения местности. На поверхность земли в районе взрыва в этом случае выпадает не более сотых долей процента радиоактивных продуктов деления.
      При наземном атомном взрыве значительная часть радиоактивных продуктов взрыва смешивается с почвой и разбрасывается ударной волной. Мелкие частицы почвы увлекаются восходящими потоками воздуха в радиоактивное облако. По мере подъема облака некоторая доля радиоактивных продуктов взрыва, осевшая на наиболее крупных частицах пыли и шлака, выпадает из него на землю. В этом случае в районе взрыва выпадает несколько процентов радиоактивных продуктов деления, смешанных с поднятой взрывом пылью.
      Выпадение радиоактивных веществ вместе с частицами грунта и пыли продолжается и по пути движения облака. Это приводит к образованию радиоактивного следа в виде полосы зараженной местности. На большой части этой полосы зараженность местности незначительная, и только в ближайшей к месту взрыва части радиоактивного следа зараженность может оказаться большой.
      Дождь и снегопад способствуют быстрому выпадению радиоактивных веществ из облака. При этом радиоактивная зараженность местности в ближайшей к месту взрыва зоне может значительно возрасти, а зараженность воздуха, наоборот, резко снизиться.
      Радиоактивные частицы больше задерживаются на шероховатых и влажных поверхностях.
      Поверхности объектов, обращенных к месту взрыва, заражаются больше, чем противоположные. Если в объектах есть щели, открытые отверстия, люки и двери, то возможно заражение внутренних поверхностей объектов.
      На степень заражения отдельных участков местности и поверхности объектов значительное влияние оказывают-направление и сила ветра.
      Воздух заражается сильнее на местности, лишенной растительного покрова, в результате значительного пылеобразования.
      При подводном атомном взрыве образуется огромное слоисто-кучевое облако, из которого выпадает радиоактивный дождь (рис.27). Большая часть радиоактивных веществ, образующихся при подводном взрыве, задерживается водой, вследствие чего она становится сильно зараженной.
      Если взрыв произошел вблизи берега, то прибрежная местность может оказаться зараженной радиоактивными веществами как в результате радиоактивного дождя, так и вследствие выбрасывания на берег радиоактивной воды.
      Люди и животные могут быть поражены при попадании радиоактивных веществ на кожу, слизистые оболочки глаз, носа, рта и внутрь организма.
      Радиоактивные вещества, попавшие на кожу и слизистые оболочки глаз, носа и рта и своевременно не удаленные с них, могут вызвать язвы и воспаления.
      В зависимости от степени радиоактивного заражения местности время допустимого пребывания на ней личного состава без ущерба для здоровья может быть разным.
      Со временем радиоактивная зараженность местности непрерывно уменьшается вследствие распада радиоактивных веществ, а также вследствие сдувания их с поверхности почвы ветром, смывания дождем и проникания радиоактивных веществ в почву.
      Чтобы предохраниться от поражения радиоактивными веществами, применяют индивидуальные средства противохимической защиты. Наряду с защитой от радиоактивных веществ индивидуальные средства противохимической защиты предохраняют человека и от воздействия светового излучения. При отсутствии табельных индивидуальных средств для защиты от радиоактивных веществ используются подручные средства.
      Боевой технике радиоактивные вещества вреда не приносят. Однако, чтобы избежать поражения при обращении с зараженной техникой, радиоактивные вещества нужно удалять с ее поверхностей механическим путем. Для облегчения удаления могут быть применены вода и различные химические вещества (слабые растворы кислот, щелочи, спирт, бензин и т. п.).
     
      12. БОРЬБА С ПЫЛЬЮ И ДЫМОМ
     
      Пыль и дым наносят вред не только человеку, животным и растениям, но и всевозможным машинам, зданиям и другим сооружениям. Они нередко совершенно портят или в значительной степени снижают качество готовой продукции.
      Непрерывное отложение пыли, а главным образом копоти на стенах зданий до такой степени загрязняет их, что порой невозможно определить истинного цвета их окраски. Сажа прилипает к стенам так прочно, что ее не смывают дожди и приходится принимать специальные, иногда довольно сложные меры для ее удаления. Закопченные стены сильно поглощают свет, придавая мрачный вид зданиям промышленных предприятий. Это характерно для большинства крупных индустриальных районов капиталистических стран.
      Из-за сильного задымления атмосферы многие города США, Англии и Франции теряют до половины солнечных лучей. Так, в Нью-Йорке потеря естественной освещенности в отдельных случаях превышает 50 процентов.
      Оконные стекла, и без того мало прозрачные для ультрафиолетовых лучей, покрываясь пылью и сажей, в еще большей степени теряют способность пропускать эти лучи внутрь зданий.
      Угольная и некоторые другие виды пыли, оседая внутри электромоторов, могут вызвать короткое замыкание. Электрические изоляторы, покрываясь пылью, теряют значительную долю своих изолирующих свойств. Попадая внутрь станков, пыль ускоряет изнашивание скользящих металлических частей.
      В двигателях внутреннего сгорания пыль царапает стенки цилиндров и вызывает быструю порчу поршневой группы мотора. По этой причине автомобили снабжаются фильтрами для очистки всасываемого в цилиндры воздуха.
      Пыль нежелательна и для самого технологического процесса. Она нередко приводит к браку уже готовую продукцию. В лакокрасочных мастерских пыль садится на свежевыкрашенные поверхности, лишая их гладкости и блеска. Вредна пыль при изготовлении фотопластинок, кинопленок и при производстве граммофонной записи. Осаждаясь на пластинках и пленках, пыль портит их.
      Пыль вредна и для здоровья человека. Она попадает в организм вместе с вдыхаемым воздухом и чаще всего действует именно на дыхательные пути. Длительное вдыхание пыльного воздуха может привести к воспалительным процессам в носу и носоглотке. Пыль может проникнуть в легочную ткань и вызвать состояние, которое в медицине называют «запылением легких».
      Наконец, пыль может явиться причиной взрыва.
      Кусковой уголь, сахар, сухое зерно в пылеобразном состоянии легко взрываются. Керосин и нефть, распыленные в воздухе, также дают взрывчатую смесь.
      В чем здесь причина? Причина заключается в колоссальном увеличении поверхности при раздроблении. Общая площадь поверхности пылинок во много тысяч раз больше, чем поверхность такого же количества вещества, собранного в один сплошной кусок. Процесс же горения происходит именно с поверхности. В то время как кусок угля неторопливо обгорает со всех сторон, а образующиеся при этом тепло и газообразные продукты горения рассеиваются в окружающее пространство постепенно, миллиарды микроскопических пылинок сгорают почти мгновенно. Горение происходит настолько быстро, что выделяющиеся при этом тепло и газообразные продукты не успевают рассеяться. В результате выделения газообразных продуктов и резкого повышения температуры создается значительное давление и происходит взрыв.
      Около десяти граммов муки, такое же количество крахмала или 35 граммов сахара, распыленные в одном кубическом метре воздуха, — это уже взрывчатые смеси. При горении одного грамма сахара, распыленного в 3,7 литра воздуха, развивается температура до 4300 градусов, а давление может превысить 20 атмосфер.
      Взрываться может и алюминиевая пыль, причем по силе подобный взрыв не уступает взрыву сахарной пыли.
      Достаточно пламени спички, искры короткого замыкания электрических проводов, а иногда удара друг о друга движущихся частей машины или сильного разогрева подшипников, как в помещении с запыленным воздухом может произойти взрыв. После того как вспыхнут первые пылинки, пламя с огромной скоростью — быстрее звука — охватывает все пылевое облако. Вот почему на фабриках и заводах часто можно видеть предостерегающие надписи «Не курить» даже там, где, казалось бы, нет ничего воспламеняющегося.
      Много неприятностей может принести и та пыль, которая скапливается на карнизах, балках и различных выступах в помещении. От первого небольшого взрыва эта пыль осыпается и создает новое пылевое облако, которое может послужить материалом для второго взрыва и так далее. Отсюда, в частности, и вытекает требование чистоты рабочих помещений.
      В США ежегодно погибает от пылевых взрывов в среднем около 400 человек и 600 человек получают тяжелые ранения.
      Необходимо отметить, что вместе с пылью и дымом на некоторых производствах, особенно в металлургии, в воздух уносятся ценные продукты. Ежегодно многие сотни тонн металла вылетают через заводские трубы буквально «на ветер». Подсчитано, что при работе медеплавильных -заводов из каждых десяти тысяч тонн руды уносится в воздух почти две тонны меди, около двух тонн свинца, трех тонн цинка, восьми тонн железа и алюминия. На одном содовом заводе было установлено, что за одни сутки в воздух уходит до двух тонн соды.
      Из всего этого становится ясным, что пыли и дыму должна быть объявлена борьба.
      В дореволюционной России борьба за право человека дышать чистым воздухом не велась. Правда, в 1915 году была сделана одна попытка провести закон по борьбе с заводским дымом. Однако Государственная дума решила, что заводской дым это только половина зла, а со второй половиной — дымом от кухонных и других домашних очагов, паровозов и пароходов — бороться нельзя; так какой же смысл решать половину задачи? И дело заглохло...
      Как ведется борьба с пылью и дымом в первом в мире социалистическом государстве? Какие практические мероприятия проводятся у нас сейчас для борьбы с этим злом?
      В Советском Союзе вопросам охраны здоровья трудящихся уделяется огромное внимание. Наша Конституция закрепляет право всех граждан на труд. Это право не только на получение работы, но и право на здоровый, культурный и безопасный труд, охрана которого осуществляется самим государством. В нашей стране огромные средства расходуются на охрану труда, на технику безопасности, на улучшение условий труда, причем эти средства из года в год резко увеличиваются. В Советском Союзе вопросами охраны чистоты атмосферного воздуха в городах и поселках занимается большое число различных научных учреждений. Кроме того, создан специальный научно-исследовательский институт по промышленной и санитарной очистке газов. Специальные санитарные инспекции следят за тем, чтобы на предприятиях соблюдались необходимые гигиенические условия труда рабочего.
      Многое делается у нас для того, чтобы оздоровить труд и быт народа. Улицы и площади наших городов покрываются асфальтом. Летом производится их орошение из специальных автоцистерн. Новые социалистические города планируются так, что промышленные предприятия отделяются от жилых массивов густой зеленью парков и садов. Непрерывно расширяется сеть центрального отопления, производится газификация жилых домов. Все это позволяет значительно сократить число мелких котельных, домашних отопительных печей, которые благодаря своему несовершенному устройству являются особенно интенсивными источниками загрязнения городского воздуха.
      Переустройство городского хозяйства Москвы уже сейчас привело к значительному снижению концентрации пыли в воздухе. Нет сомнений, что дальнейшие мероприятия по улавливанию газов и пыли вместе с работами по благоустройству и озеленению приведут к полному очищению воздуха в наших городах и поселках.
      В тех случаях, когда пыль может принести большой вред, у нас не останавливаются даже перед тем, чтобы переоборудовать цех или коренным образом изменить весь технологический процесс, хотя бы это и было сопряжено с затратой значительных средств.
      Там, где позволяют условия, возможность образования пыли устраняется путем увлажнения рабочих материалов. Если материалы увлажнять нельзя, аппараты, в которых возникает пыль, отделяются от рабочего помещения. Мощный поток воздуха, создаваемый специальными вентиляторами, подхватывает с собой пыль и уносит ее из помещения.
      Когда по техническим причинам воздух в помещении нельзя достаточно хорошо очистить, рабочие дышат через респираторы (специальные полумаски, прикрывающие рот и нос). Если же запыленность помещения велика, рабочие надевают особые шлемы, в которые подводится свежий воздух.
      Большая работа проводится у нас по очистке воздуха шахт. Вводятся в эксплуатацию новые врубовые машины, которые при работе пылят значительно меньше старых. Разработан способ орошения воздуха в шахтах. Путем создания искусственного дождя количество угольной пыли уменьшается в воздухе шахт в несколько раз. Совершенствуется вентиляция и проводится ряд других мероприятий, снижающих запыленность воздуха, оздоровляющих труд шахтера.
      Перед строителями новых крупных зданий в Москве также стояла серьезная задача пылеудаления. Убрать вручную две тысячи помещений, которые разместились в 27-этажном доме на Смоленской площади, — весьма трудоемкая работа. Чтобы облегчить труд уборщиц, здесь устроена, кроме приточно-вытяжной вентиляции, система централизованного пылеудаления, трубы которого скрыты в стенах. В каждом помещении на небольшом расстоянии от пола выведены небольшие трубки — штуцеры. Достаточно только подключить гибкий шланг со специальной щеткой к такому штуцеру, и сильная струя всасываемого воздуха очистит пол, ковры и мебель от пыли.
      Очистить воздух помещения от пыли — это еще далеко не все. Ведь пыль, летящая вместе с газами из печей и вентиляционных установок, засоряет нашу атмосферу. Значит, надо не выпускать пыль в атмосферу, а каким-то образом улавливать ее. В зависимости от характера пыли и от того, какая преследуется при этом цель (улавливание ценных продуктов, санитарные мероприятия или то и другое), применяют и различные аппараты и различные методы очистки.
      Есть много способов освободить газ от пыли. Для очистки от крупных частиц воздух направляют в огромные пылеосадительные камеры, где движение газового потока сильно замедляется и частицы пыли успевают осесть на полки и дно камеры раньше, чем воздух выйдет наружу. В некоторых случаях пользуются специальными аппаратами, так называемыми циклонами. Войдя внутрь циклона, воздух совершает несколько оборотов по винтовой линии (рис.28). Под действием развивающейся центробежной силы пылинки отбрасываются к стенкам циклона и вследствие трения о стенки теряют скорость и падают в нижнюю, воронкообразную часть аппарата. Очищенный воздух поднимается по центральной трубе вверх. Советскими инженерами сконструирована и внедрена в промышленность целая серия (различных размеров, мощности и конструкции) новых циклонов, обладающих рядом ценных свойств, выгодно отличающихся от старых и заграничных аппаратов.
      Для улавливания более мелких частиц воздух пропускают через различные фильтры. В качестве фильтров служат ткани, металлические сетки или башни, наполненные каким-нибудь зернистым материалом (гравием, коксом и т. д.), смачиваемым водой. Пройдя такие фильтры, воздух оказывается в значительной степени очищенным от пыли.
      Иногда для очистки газа на пути его ставят водяные завесы, заставляя газ два — три раза «искупаться». Однако ни дождь, ни камеры, ни циклоны еще не очищают газов достаточно полно. В начале нашего века ученые нашли, что пыль можно улавливать с помощью тока высокого напряжения. Сорок лет назад была создана первая такая установка; она очищала газы почти полностью. Такой аппарат схематически показан на рисунке 29.
      Внутри металлической трубы натянута проволока. Она соединена с одним из полюсов источника тока. Корпус трубы заземлен. Если впускать в такую трубу запыленный газ, то под влиянием электрического поля внутри трубы пылинки станут заряжаться таким же зарядом, какой заряд несет проволока, и будут от нее отталкиваться. Долетев до стенки трубы, они разрядятся и осядут на ней. Газ выходит наружу очищенным, а пыль падает в нижнюю часть трубы, где находится специальный сборник. Этот способ заслуженно получил у нас широкое применение в ряде отраслей промышленности, несмотря на значительные затраты по устройству самого аппарата и расход энергии. Советская конструкция такого пылеосадителя, созданная в последние годы, отличается тем, что аппарат работает при более низком напряжении, требует для питания меньшей мощности тока и обладает более высокой степенью очистки, чем аппараты заграничных марок. Работа наших аппаратов полностью автоматизирована.
      Электрические пылеуловители на металлургических заводах собирают по 20—30 тонн пыли в день. А в такой пыли имеется значительный процент ценных металлов. На одном цементном заводе за 12 лет было собрано таким способом 350 000 тонн цементной пыли. Газы, уходящие из трубы, уносили с собой в атмосферу всего лишь около одного процента пыли. Так ведется война с пылью у нас, в Советском Союзе, где все народное хозяйство поставлено на службу строительства коммунизма и интересы трудящихся учитываются прежде всего.
      Совсем другое в капиталистических странах. Там очень трудно заставить хозяина предприятия нести издержки на улучшение условий труда, если эти издержки не сопровождаются прямой выгодой для хозяина. Поэтому на предприятиях там нередко нарушаются самые элементарные условия охраны труда рабочего. Нередко приходится читать в газетах сообщения о взрывах в шахтах. Капиталисты слишком мало ассигнуют средств на устройство хорошей вентиляции. Их главная забота — получить большую прибыль.
     
      13. СТУДНИ
     
      Нам осталось теперь рассказать о студнях — продуктах превращения некоторых жидких коллоидов, имеющих важное значение в военном деле.
      Представьте, что мы сварили густой кисель или крахмальный клейстер, налили его в стакан и поставили остывать. Раствор постепенно густеет и, наконец, превращается в студень. На минуту опустим стакан в нагретую воду, а затем опрокинем его на блюдце. Студень выпадет, и мы увидим, что он в точности передает форму стакана. Его легко можно разделить ножом или даже ниткой на куски. Такой студень нельзя назвать ни твердым, ни жидким телом.
      Застудневание свойственно всем гидрофильным коллоидам и вообще всем коллоидам, частицы которых имеют вокруг себя оболочки из той жидкости, в которой они находятся.
      Причины, вызывающие это интересное превращение, могут быть различны. Так, например, раствор мыла переходит в студень при добавлении к нему какой-нибудь соли, раствор желатины застывает при охлаждении (так получают желе, мармелад и т. д.), белок куриного яйца — при нагревании.
      Какие же изменения происходят в коллоидном растворе при застудневании?
      В растворе постепенно вырастает очень сложный «каркас» будущего студня. Отдельные коллоидные частицы теряют свободу движения и соединяются друг с другом в длинные цепочки, нити. Эти нити или цепочки постепенно переплетаются и образуют целые клубки, жгуты или сетки. Пространство между отдельными нитями заполняется слабым раствором коллоида, который прочно удерживается всем каркасом.
      Если в растворе было мало коллоидных частиц, то студень почти прозрачен. Если же коллоидных частиц в растворе много, то при застывании образуется более плотный каркас, в нем будет заключено меньше жидкости, и сам студень приобретает поэтому вид непрозрачного тела.
      Для получения студня иногда требуется очень немного вещества. Раствор, в котором содержится всего 0,5 грамма желатины на 100 граммов воды, уже может дать студень. Правда, образуется или созревает такой студень несколько дней, тогда как 10-процентный раствор желатины может застыть в несколько минут. Известно вещество — германиевокислый кальций, одного грамма которого на полтора литра воды достаточно, чтобы получить студень. Студни, получаемые с горючими жидкостями, применяются в военном деле, например, при изготовлении зажигательных веществ.
      Любой живой организм можно рассматривать как студень. Тело человека приблизительно на две трети состоит из воды, и эта вода в основном удерживается такими студнями, как кожная ткань, мышцы и др. В морях встречаются почти прозрачные «живые студни» — медузы. В теле медузы на долю сухого вещества по весу приходится только около одного процента, остальные 99 процентов — вода. И такого маленького количества твердого вещества вполне достаточно для того, чтобы возник организм, способный дышать, питаться и размножаться!
      Теперь посмотрим, к каким изменениям приводит высушивание студней.
      Одни студни при потере влаги мало изменяются в объеме. Их скелет как бы сохраняется, только становится более жестким. Получается хрупкая масса, которую можно легко растереть в порошок. В таких студнях обычно очень много пор, и они могут быть использованы наряду с углем как хорошие поглотители. Эти высушенные студни называют обычно хрупкими гелями. К ним относятся гели почвы: глина, силикаты и т. д.
      Другие студни — студни желатины, различных белков, каучуков — при высушивании сильно сжимаются. Такой высушенный студень приобретает иногда очень ценное свойство: отдельные звенья цепочек студня могут оказаться соединенными так гибко и подвижно, что цепочки могут до известного предела растягиваться в длину или сгибаться не разрываясь. Именно поэтому растягивается резина, гнется доска. За это свойство такие студни получили название эластичных гелей.
      Другой замечательной особенностью эластичных студней является то, что они способны набухать. С этим явлением мы познакомимся в следующем разделе.
     
      14. НАБУХАНИЕ
     
      Еще древним египтянам было известно свойство дерева разбухать в воде. Египтяне использовали это свойство для получения строительного камня. В трещины скал забивались клинья из сухого дерева. Затем клинья поливались водой. При разбухании клин настолько сильно увеличивался в объеме, что от скалы откалывались большие глыбы.
      Мы часто пользуемся в жизни этим свойством дерева. Когда деревянная бочка долго пролежит в сухом месте, в ней появляются щели. Но стоит несколько дней подержать рассохшуюся бочку в воде — она «замокнет», доски разбухнут и снова плотно прижмутся друг к другу.
      Чтобы изготовить непротекающий деревянный ящик или желоб, нужно очень точно пригнать доски. Сделать это нелегко. Гораздо проще поступают иногда сибиряки. На ребро доски они кладут толстую проволоку и ударяют по ней молотком (рис.30,а). На ребре образуется желобок. Края желобка стесывают (рис.30,б). Когда ящик собран, его замачивают. Уплотненные древесные волокна отдельных ребер так сильно разбухают и прижимаются друг к другу (рис.30,в), что ящик становится совершенно непроницаемым для воды.
      Не все эластичные студни набухают одинаково. Обычно набухание идет в той жидкости, пары которой поглощаются студнем. Резина, например, хорошо набухает в бензине, но никто не видел набухших в воде галош, так как резина не поглощает паров воды.
      Дерево вбирает в себя воду до определенного предела, после чего набухание прекращается. Желатина (в горячей воде) и клей, наоборот, набухают неограниченно и в конце концов переходят в коллоидный раствор, — настолько велико их сродство к воде.
      Очень интересно, что студень, вбирая воду, сжимает ее. Это видно из того, что объем набухшего студня всегда несколько меньше объемов сухого вещества и воды. Так как вода, как и вообще все жидкости, может быть сжата только при очень больших давлениях, то уменьшение ее объема наводит на мысль, что студень вбирает в себя воду с огромной силой.
      Для проверки этого предположения был поставлен такой опыт (рис.31). В металлический цилиндр на пластинку с отверстиями накладывались кружочки, нарезанные из сушеных морских водорослей. Над кружочками помещался поршень. Верхний конец поршня был соединен со столиком. В нижнюю часть цилиндра наливалась вода. Водоросли жадно впитывали ее и поднимали поршень даже в том случае, когда гиря, поставленная на столик, давила на кружочки с силой в несколько сотен атмосфер!
      Некоторые растительные коллоиды, например крахмал и другие, способны набухать под давлением до 2500 атмосфер.
      Роль набухания в природе исключительно велика.
      Сухое зернышко не может дать ростков. Чтобы зерно проросло, оно прежде всего должно набухнуть.
      Человек принимает в сутки в среднем около трех литров воды. В то же время (согласно иностранным данным) установлено, что только внутри организма выделяется за сутки около литра слюны, 0,6—0,9 литра желчи, 1—2 литра желудочного сока. Спрашивается, откуда же берется эта вода? Оказывается, выпитая вода
      используется в организме неоднократно, и это легко может быть объяснено набуханием. Белки кишечных стенок вбирают в себя воду и передают белкам крови. Белки крови отдают ее другим тканям тела и т. д. Набухание различных коллоидов регулируется в организме очень точно.
      Регуляторами набухания могут быть различные соли и кислоты. Кислоты повышают набухание. Например, при укусе комара или ожоге крапивой, когда в кожу попадает кислота, появляется опухоль — чрезмерно набухший участок кожной ткани. Соли, наоборот, противодействуют набуханию. В одном руднике температура воздуха была так высока, что рудокопы работали голые, пили очень много воды и сильно потели. При этом все рудокопы страдали очень сильными головными болями. Почему это происходило? Вместе с потом из организма уходило много солей, а это приводило к повышенному набуханию тканей и в частности мозговой ткани. Врач рудника предложил давать рудокопам для питья не чистую воду, а соленую. Головные боли, продолжавшиеся у рудокопов годами, сразу же прекратились. Теперь в горячих цехах всегда для питья употребляют воду, к которой добавлено немного солей.
      Набухание часто применяется в технике. Обработке древесины, например (на спичечных, бумажных фабриках), всегда предшествует распаривание ее, набухание. Разбухшие волокна древесины теряют свою прочность. Их становится легче отделить друг от друга, легче расколоть, размять.
      Мы уже говорили, что набухший студень прочно удерживает воду. Попробуйте выдавить хотя бы каплю воды из набухшей желатины или кусочка теста — вам это не удастся. Особенно крепко удерживаются те слои воды, которые прилегают непосредственно к поверхности коллоидных частиц, адсорбируются ими. Такую воду называют связанной.
      Связанная вода обладает замечательными свойствами. Прежде всего она лишена способности растворять различные вещества. Молекулы воды в оболочках коллоидных частиц сильно сближены, сдавлены. Найдено, что связанная вода испытывает давление до 500 тысяч атмосфер.
      Количество связанной коллоидом воды имеет огромное значение. Установлено, например, что чем больше воды связывает мука (в муке связывает воду крахмал), тем медленнее черствеет хлеб. Ржаной крахмал связывает воды почти вдвое больше, чем пшеничный, поэтому черный хлеб сохраняет свою мягкость более долгое время, чем белый.
      Чем большую часть воды в растительных организмах связывают коллоиды, тем лучше растения сопротивляются морозам и засухам, — связанную воду трудно и выморозить, и испарить.
     
      15. ЖИЗНЬ КОЛЛОИДОВ
     
      В последнем разделе нашей книжки мы коротко расскажем о том, как «живут» коллоиды.
      Время накладывает отпечаток на все коллоидные системы.
      Отдельные частицы коллоидных растворов со временем самопроизвольно соединяются, жидкость мутнеет, меняет окраску, теряет текучесть. Золь стареет. Без всяких внешних причин (нагревания, охлаждения, прибавления солей и т. д.) из состарившегося гидрофобного золя выпадает осадок, а гидрофильный золь превращается в студень. Падает способность коллоида удерживать воду. Вспомните, что масло и сыр со временем начинают «слезиться», из кислого молока и сметаны выделяется вода, отпотевает хлеб, потеет сложенное в кучу сено.
      На студни время влияет особенно заметно. Соединение отдельных частиц в каркасе студня становится все менее и менее подвижным и гибким. Каркас самопроизвольно «перестраивается». Частицы начинают располагаться в определенном порядке и могут образовать кристаллы. Уменьшается количество связанной воды. Все эти изменения не могут не отразиться на свойствах коллоидов. Мы видим, как на старых картинах растрескивается краска, на старой мебели тускнеет и растрескивается лак. Стареют волокна растений, листья и ветки постепенно теряют свою гибкость и становятся грубыми и ломкими.
      То же самое можно сказать о коллоидах в организмах животных. Чем старше организм, тем меньше он содержит воды, тем слабее набухают его коллоиды. В период быстрого роста, когда происходит усиленное деление клеток организма, особенно в самом начале жизни зародыша, коллоиды способны удерживать очень много воды. 95 процентов веса зародыша составляет вода.
      В теле новорожденного ребенка воды уже меньше — около 75 процентов, а у взрослого — около 60 процентов.
      Старение коллоидов прежде всего связано с уменьшением способности набухать. Поэтому живой организм к старости как бы высыхает. Появление морщин, этот первый признак старости человека, и является следствием высыхания. Ткани организма постепенно теряют прежнюю эластичность, стенки кровеносных сосудов становятся более хрупкими, волосы более ломкими.
      Постепенное старение организма и старение коллоидов в нем — это два процесса, идущие параллельно друг другу. Поэтому мы и говорим о жизни коллоидов, о их возрасте и старении.
      Причина старения коллоидов еще неизвестна.
      В настоящее время ведется большая работа по изучению старения коллоидов. В некоторых случаях удается замедлить процессы старения, в других — предотвратить, а в ряде случаев — вернуть коллоиду его «молодость». С этими исследованиями связано решение очень важной биологической проблемы — омоложение организма.
     
      ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     
      Наш рассказ о коллоидах окончен. Что же вы узнали из этой книжки?
      Коллоиды — это сложные системы, для получения которых необходимы по крайней мере два вещества.
      Коллоидные частицы имеют определенные размеры. Величина частиц сказывается на многих свойствах коллоидов: частицы не могут проникать через мембраны и движутся в той или иной среде медленнее, чем обычные молекулы.
      Было время, когда эти свойства считались основным признаком коллоидных систем и коллоидные растворы причислялись к истинным растворам, только содержащим очень крупные молекулы. Однако по существу размер частиц помогает лишь найти коллоидам место среди других систем, установить их промежуточное положение между истинными растворами и взвесями — и только. Поэтому мы познакомили читателя с рядом других свойств коллоидов, от которых зависит и их устойчивость и изменчивость. Мы показали, что мир коллоидов — это мир больших поверхностей, связанных с небольшим количеством раздробленного вещества. Именно на поверхности частиц происходят процессы, которые в одних случаях (образование оболочек, адсорбция ионов и даже коллоидных частиц) повышают устойчивость коллоидов, защищают частицы, а в других — понижают противодействие коллоида внешним воздействиям и разрушают его.
      Наконец, коллоиды «живут», коллоиды могут стареть,— эта способность совершенно не свойственна истинным растворам.
      Таковы основные признаки коллоидных систем. Познакомить читателя с ними в самых общих чертах, показать значение коллоидов в нашей жизни и было задачей автора.
      Рассказать более полно о коллоидах в такой маленькой книжке невозможно, ибо говорить о коллоидах — это, как вы теперь знаете, говорить об очень многом.
      Коллоидами интересуются агрономы и почвоведы, биологи и медики, метеорологи и военные специалисты. Явления, изучаемые коллоидной наукой, тесно связаны с самыми различными областями практической деятельности человека.
      Благородная задача защиты людей от действия на их организм ядовитых газов и паров, радиоактивной и другой вредной пыли решена путем использования противогаза, изобретение и последующее усовершенствование которого тесно связаны с наукой о коллоидах. Применение дымовых завес, изготовление дегазирующих растворов, зажигательных веществ, очистка воды и многие другие процессы, используемые в армии, покоятся на законах коллоидной химии. Нет такого рода войск, завода или фабрики, где человек не сталкивался бы с задачами, правильное решение которых может дать эта наука.
      Знать свойства коллоидов — это значит получить возможность разумно управлять многими производственными процессами, научиться подчинять это явление природы интересам развития народного хозяйства и укрепления обороноспособности страны. Именно поэтому в Советском Союзе наука о коллоидах развивается особенно плодотворно. Самые различные вопросы, связанные с коллоидами, успешно решают советские ученые на благо своей Родины.