Экспериментальное доказательство увеличения массы веществ при химической реакции горения на примере железа и свечи

В повседневном сознании укоренилось представление о том, что процесс горения неизбежно ведет к утрате материи. Наблюдая за сгоранием дерева, мы видим, что от него остается лишь легкий пепел, который может быть рассеян малейшим движением воздуха. Аналогичный пример демонстрирует парафиновая или стеариновая свеча: пламя постепенно уничтожает фитиль и само горючее вещество, не оставляя после себя видимого твердого остатка. В обоих случаях создается иллюзия безвозвратной потери веса, причем в примере со свечой масса исходного материала, казалось бы, сводится к нулю. Однако, несмотря на кажущуюся очевидность этого явления, детальное научное исследование доказывает ошибочность или, по крайней мере, существенную неточность такого умозаключения.

Для проведения серии точных экспериментов, описанных далее, потребуется аналитическое оборудование, а именно аптекарские весы, оснащенные двумя чашками из рогового материала и закрепленные на устойчивой подставке. Чувствительность инструмента должна быть высокой: качественные весы способны фиксировать разницу в массе даже в одну сотую долю грамма, что будет заметно по отчетливому отклонению стрелки-указателя.

В качестве подопытного материала подготовим фрагмент кровельного железа квадратной или прямоугольной формы, размеры которого должны быть немного меньше диаметра имеющихся чашек весов. Также потребуются чистые железные опилки, однако наилучший результат дает использование мелкодисперсного железного порошка, применяемого в химических лабораториях. Насыпав приблизительно один грамм этого порошка на железную пластину, поместим ее (удерживая за специально загнутый край) на одну из чашек весов. На противоположную чашку необходимо насыпать песок до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия, при котором стрелка остановится строго напротив метки.

Далее, используя щипцы или поместив образец на треножник, следует тщательно прокалить железную пластину с порошком в пламени спиртовой или газовой горелки. В ходе нагревания произойдет визуальное изменение: исходный порошок серого цвета приобретет черную окраску. На некоторое время вещество начнет тлеть, демонстрируя сходство с тлеющим древесным углем. После того как образец полностью остынет, его необходимо повторно взвесить. Результат окажется противоположным ожидаемому: в отличие от дерева, превращающегося в легкий пепел, масса железа увеличится. Создается неопровержимое впечатление, что металл (как сама пластина, так и порошок) вступил в реакцию с неким материальным компонентом окружающей среды, обладающим собственной массой.

Справедливость данного наблюдения можно подтвердить количественно. Для этого небольшое количество железного порошка помещают в тугоплавкую стеклянную трубку, через которую медленно пропускают точно отмеренный объем воздуха (например, 1 литр), одновременно нагревая порошок газовой горелкой. На выходе из трубки, используя установку, изображенную на рис. 22, собирают оставшийся газ. Оказывается, что объем собранного газа составит лишь 4/5 от исходного литра.

Оставшийся газ более не поддерживает горения: зажженная лучина в нем гаснет, и он не пригоден для дыхания. Данный компонент атмосферы известен как азот. Та часть воздуха (объемом 1/5 литра), которая необходима для процессов дыхания и горения и была задержана (поглощена) железом, называется кислородом. В ходе эксперимента произошла химическая реакция: железо соединилось с кислородом, образовав новое вещество — черный порошок оксида железа. Следует отметить, что воспроизвести этот опыт технически проще, используя не порошок в трубке, а свернутую в рулон блестящую сетку из медной проволоки, что обеспечивает более равномерный контакт металла с воздушным потоком.

Вероятно, внимательный читатель выдвинет контраргумент, указав на принципиальное отличие в случае со свечой: ведь она действительно исчезает, не становясь тяжелее. С этим наблюдением нельзя не согласиться, однако и здесь существует важное уточнение. Продукты, образующиеся в результате горения, не всегда являются твердыми (как оксид железа) или жидкими; в большинстве случаев они переходят в газообразное состояние. Даже если при нормальной температуре эти вещества могли бы быть жидкостями, в условиях высоких температур пламени они существуют в виде газов. Ярким примером служит образование воды при сгорании водорода в пламени спирта или газа, что было описано ранее.

Такие летучие продукты горения ускользают от прямого наблюдения и взвешивания в открытом пространстве. Однако если создать замкнутую систему, позволяющую улавливать все продукты сгорания, как это было сделано в предыдущем опыте, можно количественно измерить изменение массы. Для исследования процесса сгорания свечи применяется специальное приспособление. Широкий ламповый цилиндр (рис. 53) обвязывают проволокой, чтобы подвесить его к коромыслу весов вместо чашки. Снизу к цилиндру на проволоке крепится огарок свечи. Сверху на цилиндр устанавливается проволочная корзинка, наполненная натронной известью — смесью гашеной извести и раствора едкого натра.

Рис. 53. Конструкция установки для взвешивания продуктов сгорания свечи, включающая цилиндр и корзину с натронной известью.

Это вещество обладает высокой гигроскопичностью и способностью химически связывать углекислый газ, поглощая их из проходящего воздушного потока. Поскольку основными компонентами свечи являются углерод и водород (в случае парафиновой свечи) или углерод, водород и кислород, продуктами их горения выступают соответственно углекислый газ (CO₂) и водяной пар (H₂O). Тяга воздуха в цилиндре создается самим пламенем свечи: нагревая воздух, оно заставляет его подниматься вверх, проходя через слой натронной извести, которая улавливает все продукты реакции. Если перед поджиганием свечи уравновесить весы, то вскоре после начала горения чаша с установкой опустится, неопровержимо доказывая, что общая масса системы (остаток свечи плюс уловленные продукты) стала больше массы исходной свечи.

Прирост массы происходит за счет присоединения кислорода, участвующего в реакции. Известно, что один литр кислорода при нормальных условиях (0°C и давлении 760 мм рт. ст.) весит 1,429 грамма, и этот объем расходуется пламенем свечи всего за несколько минут. Интенсивность потребления кислорода можно наглядно продемонстрировать, поместив горящую свечу под большой стеклянный колокол, опущенный открытым краем в таз с водой. По мере выгорания кислорода под колоколом пламя гаснет, а вода частично всасывается внутрь, занимая объем израсходованного газа.

Таким образом, для любого горящего тела, будь то свеча, древесный уголь или обычные дрова, справедлив общий закон: общая масса продуктов горения всегда превышает массу исходного вещества на величину массы кислорода, вступившего с ним в реакцию. Зола же, остающаяся после сжигания дров или угля, не является продуктом горения в химическом смысле; она представляет собой лишь несгораемый минеральный остаток, который изначально присутствовал в материале и не принимал участия в реакции с кислородом.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.