Занимательная химия для детей и взрослых

Но вернемся к статье Раметте и шарику с гелием. Средняя молекулярная масса воздуха М = 29, и если диаметр шарика 25 см, то отношение атмосферного давления в верхней и нижней точке P/P_o = 0,999971. Именно эта ничтожная разница (всего 0,022 мм, что не фиксируется обычным барометром) и приводит к выталкивающей силе, достаточной, чтобы поднять легкий шарик (по расчетам Раметте, эта сила равна в данном случае 14 г). Гелий намного легче воздуха (М = 4), и для него внутри шарика P/P_o = 0,999996. Так что разность в давлении внутри шарика меньше, чем снаружи. Соответственно меньше и разность в числе ударов молекул гелия и воздуха о верхнюю и нижнюю часть шарика.

Удовлетворенный химик с трудом дождался следующего дня, чтобы посрамить физика. Каково же было его разочарование, когда тот первым делом сказал: «Я тут немного подумал и пришел к простому выводу: так как молекулярная масса гелия намного меньше, чем средняя для воздуха, градиентом плотности гелия в шарике можно пренебречь». Более того, физик не искал барометрическую формулу в учебниках или в Интернете, а сам ее вывел! Перед тем как разойтись, физик все же взял свое в свойственной ему манере:

– Ну хорошо, вы разобрались с шариком, из чего следует, что проблема эта легкая. А теперь подумайте над такой. Вы привязываете шарик с тяжелым углекислым газом к потолку своего автомобиля, так что он свисает сверху до середины салона. А шарик с гелием вы привязываете к сиденью, и он тоже витает в центре автомобиля, но привязан снизу. Когда вы резко берете с места, ваше тело по инерции вдавливается в кресло. А что будет с двумя шариками? И что будет с ними при резком торможении?

Физик ушел с самодовольным видом, помахав небрежно рукой на прощание. Химик задумался. Но нельзя же признать себя побежденным! Проще всего посмотреть, как будут в действительности вести себя такие шарики, а уж потом можно подобрать этому объяснение. Задумано – сделано. Химику не составило большого труда надуть два шарика нужными газами (вместо дорогого гелия он вполне мог взять и водород, с которым эффект должен проявиться еще ярче) и в конце рабочего дня привязать их соответствующим образом в своей машине. Чтобы не отвлекаться, находясь за рулем, он посадил в машину в качестве наблюдателя своего внука. То, что произошло во время разгона и резкого торможения, не дало автору заснуть ночью до тех пор, пока он не нашел наблюдавшемуся явлению удовлетворительного объяснения. После чего решил обязательно спросить своего коллегу о механизме работы сифона (на молекулярном уровне!), а также почему ученые решили, что молекула воды имеет формулу Н₂О. Дело в том, что редко кто может достаточно четко объяснить и то и другое! Тем более если заранее не известно, что водород и кислород состоят из двухатомных молекул. Над этим вопросом в XIX в. химики ломали головы десятки лет, и со времен Дальтона довольно долго формулу воды записывали как НО.

Что же показал эксперимент с шариками в автомобиле? Оказалось, что шарики в обоих случаях отклоняются в противоположных направлениях! Объяснить это можно так. При разгоне и торможении автомобиль движется с ускорением, и это ускорение эквивалентно гравитации, только повернутой на 90°. Значит, и шарики с тяжелым и легким газом будут вести себя так же, как в комнате, т. е. двигаться в разные стороны. Действительно, когда машина трогается с места, воздух из-за инерции уплотняется у задней стенки, а при торможении – у передней (конечно, все окна в автомобиле должны быть при этом закрыты). Поэтому при разгоне легкий шарик движется вперед, а тяжелый – назад. При торможении же шарик с гелием отклоняется назад, а с углекислым газом – вперед. А вот смог ли физик ответить на вопросы о сифоне и формуле воды?

Течет ли стекло?

В популярных статьях и даже в некоторых учебниках говорится, что стекло – это та же жидкость, только переохлажденная и потому очень вязкая. В таком случае стекло должно медленно течь, особенно под нагрузкой, – примерно как кусок твердого с виду вара. Если к такому куску приложить большое кратковременное усилие, например стукнуть молотком, он разлетится на куски – как это видно на фотографии. Но если его оставить на длительное время, то через несколько месяцев (или лет – в зависимости от температуры) он превратится в плоскую лепешку. Процесс значительно ускорится, если на кусок вара положить кирпич. Зависимость от температуры вязкости подобных смолообразных веществ (в СИ вязкость изменяется в единицах паскаль на секунду) была измерена еще в 1914 г. итальянским физиком Альфредо Покеттино. Для образца, с которым он работал, вязкость составила примерно 10⁹ Па · с при 10 °C, а при 30 °С она снизилась более чем в тысячу раз.