Удивительная химия - Илья Леенсон

В США распространена шкала Фаренгейта, предложенная в 1714 году работавшим в Голландии искусным немецким физиком и стеклодувом Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686–1736), который первым начал изготовлять точные термометры. У нас шкала Фаренгейта известна в основном благодаря знаменитому фантастическому рассказу Рея Брэдбери «451° по Фаренгейту». Формула, связывающая шкалу Фаренгейта (F) со шкалой Цельсия, выглядит очень странно: t °F = 9/5(1 °C) + 32. Откуда она взялась?

Для калибровки своих термометров Фаренгейт использовал две точки: очень низкую температуру, которую дает смесь мелко колотого льда с солью и которая была принята за нулевую, а также «нормальную» температуру тела человека. Этот интервал он разделил на 12 частей; это число удобно тем, что оно делится и на 3, и на 4, и на 6. Первоначальные градусы получились у Фаренгейта слишком крупными (каждый градус соответствовал примерно 5 °C). Поэтому со временем Фаренгейт изменил шкалу: интервал между температурами охлаждающей смеси из льда с солью и плавления льда он последовательно пять раз разделил пополам и таким образом получил для плавления льда отметку на 32° выше нулевой (вот откуда в формуле для пересчета градусов Цельсия в градусы Фаренгейта появилось число 25 = 32). По шкале Фаренгейта нормальная температура тела человека равна 98°, а температура кипения воды — 212°. Теперь становится понятным и другое число в формуле для перехода от шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта — это сотая часть интервала между точками кипения воды и плавления льда: (212 — 32)/100 = 9/5. А в рассказе Брэдбери 451 °F — 233 С — это температура, при которой воспламеняется бумага (при чуть более высокой температуре — 236 °C — возгорается сосновая древесина). В научной литературе американцы давно перешли на привычную нам стоградусную шкалу. Что же до обывателей, то их мнение образно выразил один фермер, который на вопрос, чем ему не нравится шкала Цельсия, ответил: «Я никогда не поверю, что 40 градусов — это очень жарко. Когда же утром по радио передают, что сейчас в округе плюс десять градусов, то я твердо знаю, что мне надо одеться потеплее, взять лопату и идти отгребать снег от гаража…»

А теперь приступим к интересному эксперименту с медицинским термометром. Но прежде следует сказать о его потенциальной опасности. Медицинский термометр знаком каждому с детства и обычно вызывает лишь неприятные ассоциации: ведь как правило мы измеряем температуру только во время недомогания или болезни. У химика же термометр вызывает в основном опасения тем, что содержит ядовитый металл — ртуть. Если термометр разбить и не собрать тщательно всю разлившуюся ртуть (а это очень трудно сделать!), то мельчайшие шарики ртути, закатившиеся в труднодоступные места, будут медленно испаряться, а ее пары, попадая в легкие, задерживаются там и вызывают впоследствии отравление организма. Кстати, по той же причине опасность представляют и лампы дневного света, содержащие ртуть. Некоторым «противоядием» от остатков пролитой ртути может служить регулярное и частое проветривание помещения, снижающее концентрацию паров ртути в воздухе.

Но разве ртуть при комнатной температуре испаряется? Ведь температура кипения ее очень высока — 357 °C. Тем не менее в полностью изолированном помещении, в котором пролита ртуть, в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится 30 триллионов атомов ртути, или 13,4 мг/м3, что в 1300 раз больше предельно допустимой концентрации! И вот что еще плохо: поскольку силы притяжения между атомами ртути малы (именно поэтому этот металл жидкий), испаряется ртуть довольно быстро, хотя на первый взгляд кажется, что пролитые капли ртути в течение длительного времени вовсе не уменьшаются 56 в размере. А отсутствие цвета и запаха у паров ртути приводит к тому, что без специальных приборов обнаружить их в воздухе невозможно.

Известен эффектный опыт, доказывающий довольно быстрое испарение ртути (конечно, его можно показывать только в лаборатории). Плотно закрытую маленькую склянку с ртутью устанавливают перед экраном, покрытым специальным составом, который светится под действием ультрафиолетовых лучей (подробнее об этом можно прочитать в главе «Химики разгадывают тайны свечения»). При включении ультрафиолетовой лампы (она располагается перед склянкой) экран начинает ярко и равномерно светиться. Если теперь вытащить пробку, то на экране появляются движущиеся тени, как будто из сосуда с ртутью идет дым, отбрасывающий эти тени на экран. Объясняется это просто: поднимающиеся из сосуда, почти как дым из трубы, пары ртути задерживают ультрафиолетовые лучи, и в этих местах экран временно не светится.

В последнее время стали появляться электронные термометры, не содержащие ядовитый металл. Но они пока довольно дороги, и в большинстве домов по-прежнему пользуются ртутными термометрами, конструкция которых доведена до совершенства и не меняется уже многие десятилетия. (Иногда в продаже бывают значительно менее опасные термометры: они очень тонкие, ртути в них мало, а главное если такой термометр уронить, он разбивается посередине и ртуть не выливается.) Будем надеяться, что вы постараетесь работать аккуратно и термометр не разобьете.

Несмотря на ядовитые свойства ртути, ее используют в термометрах со времен Фаренгейта. Она удобна по многим причинам: не смачивает стекло, поэтому отсчет температуры получается более точным; с повышением температуры ртуть расширяется более равномерно, чем другие жидкости, поэтому расстояния между всеми делениями шкалы ртутного термометра одинаковые. Наконец, нагреть ртуть до определенной температуры почти в 30 раз легче, чем воду до той же температуры, поэтому ртутный термометр, помимо прочих достоинств, обладает и малой инерционностью — не надо долго ждать, пока шарик со ртутью примет температуру окружающего воздуха или тела.

Почему же врачи рекомендуют измерять температуру под мышкой не менее пяти минут, а лучше — десять? Ведь термометр может показать правильную температуру уже через полминуты! Но это только в том случае, если между ним и средой имеется очень хороший тепловой контакт, например, когда лабораторным термометром измеряют температуру жидкости; медицинским термометром этого нельзя делать ни в коем случае — если температура воды превысит 42 °C, термометр тут же лопнет! Но вроде между термометром и кожей под мышкой контакт довольно тесный… А все дело в том, что поверхность кожи всегда холоднее, чем кровь и внутренние органы. Еще в XIX веке ученые установили, что самое горячее место в теле человека находится в той части печени, где из нее вытекает венозная кровь, температура которой у здорового человека превышает 40 °C. А вот кожа может иметь намного более низкую температуру, например, в области ступней. Поэтому когда руку с термометром под мышкой прижимают к телу, прежде всего должна прогреться сама подмышечная впадина — ее согревает тепло циркулирующей крови. А для этого требуется некоторое время.

Что же интересного может быть в измерении температуры медицинским термометром? А вот что. Вы никогда не задумывались, почему он «держит» измеренную когда-то температуру — даже если после измерения прошло много времени? Ведь термометр за окном или в комнате на стене исправно «следит» за температурой окружающего воздуха — столбик подкрашенной жидкости в нем поднимается или опускается при изменении температуры. И дело вовсе не в том, что в этих термометрах вместо ртути — подкрашенный спирт. В лабораториях температуру измеряют чаще всего ртутными термометрами, и когда они просто лежат в ящике лабораторного стола, то показывают температуру воздуха: столбик ртути никогда не «застревает» в них на определенной отметке.

В чем же секрет медицинского термометра? В нем используется принцип разрывания столбика ртути, который после измерения не должен изменять свою длину. Возьмите обыкновенный медицинский термометр и осторожно встряхните его, как всегда это делаете перед измерением температуры (лучше встряхивать термометр над чем-нибудь мягким: диваном, кроватью, в крайнем случае, над ковром — вдруг он случайно выскользнет из руки). Теперь положите термометр на мягкую подстилку на столе (подальше от края) и при хорошем освещении. внимательно посмотрите на него в сильную лупу. Вы увидите, что от стеклянного баллончика с ртутью отходит узкая трубочка с очень тонким внутренним каналом — капилляром; конец этой трубочки припаян к внешнему стеклянному баллону. Канал внутри трубочки настолько тонкий, что трубочка сама сделана в виде увеличительного стекла, чтобы лучше разглядеть столбик ртути. В самом же начале капилляра в стекле сделана перетяжка — самое узкое место канала. Через эту перетяжку ртуть сама перетечь в основной канал не может, как не может она и вернуться назад. Что же происходит при измерении температуры?