Физика для всех. Движение. Теплота - Александр Китайгородский

Не всегда удается очистить жидкость полностью. Некоторые смеси обладают «неприятным» свойством: при определенном составе смеси соотношение компонент испаряющихся молекул такое же, что и соотношение компонент в жидкой смеси. В этом случае, разумеется, дальнейшая очистка описанным способом становится невозможной. Такова смесь, содержащая 96 % спирта и 4 % воды: она дает пар такого же состава. Поэтому 96 %-ный спирт – самый лучший, который можно получить методом испарения.

Ректификация (или дистилляция) жидкостей является важнейшим процессом в химической технологии. При помощи ректификации добывают, например, бензин из нефти.

Любопытно, что ректификация является наиболее дешевым способом получения кислорода. Для этого, разумеется, надо предварительно перевести воздух в жидкое состояние, после чего можно ректификацией разделить его на почти чистые азот и кислород.

Очистка твердых тел

На склянке с химическим веществом, как правило, можно увидеть рядом с химическим названием такие буквы: «ч.», «ч.д.а.» или «сп.ч.». Этими буквами условно отмечают степень чистоты вещества: «ч.» означает весьма небольшую степень чистоты – в веществе, возможно, есть примеси порядка 1 %; «ч.д.а.» – вещество «чистое для анализа» – содержит не более нескольких десятых процента примесей; «сп.ч.» – спектрально чистое вещество – получить нелегко, спектральный анализ обнаруживает тысячные доли примеси. Надпись «сп.ч.» позволяет надеяться, что вещество по своей чистоте характеризуется по крайней мере «четырьмя девятками», т.е. что содержание основного вещества не менее 99,99 %.

Потребность в чистых твердых веществах весьма велика. Для многих физических свойств вредны тысячные доли процента примесей, а в одной специальной задаче, чрезвычайно интересующей современную технику, а именно в задаче получения полупроводниковых материалов, техники требуют чистоты в семь девяток. Это значит, что решению инженерных задач мешает один ненужный атом на десять миллионов нужных! Для получения таких сверхчистых материалов прибегают к специальным методам.

Сверхчистые германий и кремний (это и есть главные представители полупроводниковых материалов) можно получить медленным вытягиванием растущего кристалла из расплава. К поверхности расплавленного кремния (или германия) подводят стержень, на конце которого укреплен затравочный кристалл. Затем начинают медленно поднимать стержень; вылезающий из расплава кристалл образуется атомами основного вещества, атомы примеси остаются в расплаве.

Более широкое применение получил метод так называемой зонной плавки. Из очищаемого элемента приготовляется пруток произвольной длины диаметром в несколько миллиметров. Вдоль прутка перемещается охватывающая его маленькая цилиндрическая печь. Температура печи достаточна для плавления, и участок металла, находящийся внутри печи, плавится. Таким образом, вдоль стержня передвигается маленькая зона расплавленного металла.

Атомы примеси обычно значительно легче растворяются в жидкости, чем в твердом теле. Поэтому на границе расплавленной зоны атомы примеси из твердых участков переходят в расплавленную зону и не переходят обратно. Передвигающаяся расплавленная зона как бы тащит атомы примеси вместе с расплавом. При обратном ходе печь выключается и операция протаскивания расплавленной зоны через пруток металла многократно повторяется. После достаточного числа циклов остается лишь отпилить загрязненный конец прутка. Сверхчистые материалы получают в вакууме или в атмосфере инертного газа.

При большой доле чужих атомов очистку производят другими методами, зонную плавку и вытягивание кристалла из расплава применяют лишь для окончательной очистки материала.

Адсорбция

Газы редко растворяются в твердых телах, т.е. редко проникают внутрь кристаллов. Зато существует иной способ поглощения газов твердыми телами. Молекулы газа скапливаются на поверхности твердого тела – это своеобразное прилипание называется адсорбцией*13. Итак, адсорбция происходит тогда, когда молекула не может проникнуть внутрь тела, но зато успешно цепляется за его поверхность.

Адсорбироваться – это значит поглощаться поверхностью. Но разве может такое явление играть сколько-нибудь значительную роль? Ведь слой толщиной в одну молекулу, нанесенный на самый крупный предмет, будет весить ничтожные доли грамма.

Подсчитаем. Площадь небольшой молекулы – что-нибудь около 10 кв. ангстрем, т.е. 10−15 см2. Значит, на 1 см2 уместится 1015 молекул. Такое количество молекул, скажем, воды весит немного, 3·10−8 г. Даже на квадратном метре разместится всего 0,0003 г воды.

Заметные количества вещества образуются на поверхностях в сотни квадратных метров. На 100 м2 приходится уже 0,03 г воды (1021 молекул).

Но разве мы сталкиваемся с такими значительными поверхностями в лабораторной практике? Однако нетрудно сообразить, что иногда совсем маленькие тела, умещающиеся на конце чайной ложечки, имеют огромные поверхности в сотни квадратных метров.

Кубик со стороной в 1 см имеет площадь поверхности 6 см2. Разрежем кубик на 8 равных кубиков со стороной 0,5 см. Маленькие кубики имеют грани площадью 0,25 см2. Всего таких граней 6 × 8 = 48. Их общая площадь равна 12 см2. Поверхность удвоилась.

Итак, всякое раздробление тела увеличивает его поверхность. Раздробим теперь кубик со стороной 1 см на частички размером в 1 микрон. 1 микрон = 10−4 см, значит большой кубик разобьется на 1012 частиц. Каждая частичка (для простоты допустим, что и она кубическая) имеет площадь 6 кв. микрон, т.е. 6·10−8 см2. Общая площадь частиц равна 6·104 см2, т.е. 6 квадратным метрам. А дробление до микрона совсем не является пределом.

Вполне понятно, что удельная поверхность (т.е. поверхность одного грамма вещества) может выражаться огромными цифрами. Она быстро растет по мере измельчения вещества – ведь поверхность зернышка уменьшается пропорционально квадрату размера, а число зерен в единице объема растет пропорционально кубу размера. Грамм воды, налитой на дно стакана, имеет поверхность в несколько квадратных сантиметров. Тот же грамм воды в виде дождевых капель уже будет иметь поверхность, измеряемую десятками квадратных сантиметров. А один грамм капелек тумана имеет поверхность в несколько сот квадратных метров.

Если раздробить уголь (чем мельче, тем лучше), то он способен адсорбировать аммиак, углекислоту, многие ядовитые газы. Это последнее свойство обеспечило углю применение в противогазе. Уголь дробится особенно хорошо, и линейные размеры его частиц могут быть доведены до десятка ангстрем. Поэтому один грамм специального угля имеет поверхность в несколько сотен квадратных метров. Противогаз с углем способен поглотить десятки литров газа.

Адсорбция широко используется в химической промышленности. Молекулы различных газов, адсорбируясь на поверхности, приходят в тесное соприкосновение одна с другой и легче вступают в химические реакции. Для ускорения химических процессов часто используют как уголь, так и мелко раздробленные металлы – никель, медь и другие.

Вещества, ускоряющие химическую реакцию, называются катализаторами.

Осмос

Среди животных тканей есть своеобразные пленки, которые обладают способностью пропускать через себя молекулы воды, оставаясь непроницаемыми для молекул растворенных в воде веществ.

Свойства этих пленок являются причиной физических явлений, носящих название осмотических (или просто осмоса).

Представьте себе, что такая полупроницаемая перегородка делит на две части трубку, изготовленную в форме перевернутой буквы П. В одно колено трубки наливается раствор, а в другое колено – вода или другой растворитель. Налив в оба колена одинаковое количество жидкостей, мы с удивлением установим, что при равенстве уровней равновесия нет. Через короткое время жидкости устанавливаются на разных уровнях. При этом повышается уровень в том колене, где находится раствор. Вода, отделенная от раствора полупроницаемой перегородкой, стремится разбавить раствор. Это явление и носит название осмоса, а разность высот называется осмотическим давлением.

В чем же причина, вызывающая осмотическое давление?

В правом колене сосуда (рис. 108) давление осуществляется одной лишь водой. В левом колене полное давление складывается из давления воды и давления растворенного вещества. Но сообщение открыто только для воды, и равновесие при наличии полупроницаемой перегородки устанавливается не тогда, когда давление слева равно полному давлению справа, а тогда, когда давление чистой воды равно «водяной» доле давления раствора. Возникающая разница полных давлений равна давлению растворенного вещества.