Четыре дамы и молодой человек в вакууме. Нестандартные задачи обо всем на свете - Илья Леенсон

Направленный поток растворителя через мембрану продолжается до тех пор, пока его не уравновесит какая-либо внешняя сила. В опыте с морковью внешняя сила – это давление столба воды в трубке. Если в небольшую баночку залить доверху раствор сахара, плотно обвязать ее горловину целлофаном (не полиэтиленом – он не пропускает воду) и поместить в сосуд с чистой водой, вода начнет проникать в баночку, растягивая целлофановую пленку. Если пленка прочная, процесс прекратится, когда повышенное давление в баночке уравновесится силой натяжения мембраны.

Давление, создаваемое столбом воды в трубке или выгнутой мембраной, называется осмотическим давлением. Это то дополнительное давление, которое надо приложить, чтобы осмос прекратился. Осмотическое давление нетрудно измерить. Первые опыты такого рода провел в 1826 году французский армейский врач Рене Дютроше (1776–1847). Он же придумал название явлению. Дютроше установил, что осмотическое давление пропорционально концентрации раствора.

Наиболее точные измерения в XIX веке в широком диапазоне давлений (вплоть до нескольких атмосфер) провел в 1877 году немецкий химик и ботаник Вильгельм Пфеффер (1845–1920). Мембранами в его опытах служили перепонки из бычьего пузыря или неглазурованные глиняные сосуды (глазурь на поверхности сосудов делает их водонепроницаемыми). Пфеффер смачивал сосуды водой, наполнял их растворами гексацианоферрата(III) калия (красной кровяной соли) K3Fe(CN)6 и погружал в раствор медного купороса. При этом в порах сосуда образовывались полупроницаемые мембраны из гексацианоферрата меди Cu3[K3Fe(CN)6]2.

2. Когда кристалл начинает растворяться, ионы металла тут же реагируют с силикатом натрия, образуя полупроницаемую мембрану из нерастворимого силиката меди, кобальта или никеля. В результате осмоса вода проходит через мембрану в сторону кристалла, слабая мембрана не выдерживает натяжения и лопается. Раствор соли металла «выливается» наружу, быстро реагирует с силикатом натрия, и все повторяется снова. В результате от кристаллов на дне сосуда начинают расти окрашенные образования, похожие на разноцветные морские водоросли.

3. Результаты Пфеффера использовал знаменитый голландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852–1911), который в 1887 году вывел формулу для зависимости осмотического давления от концентрации раствора. Она оказалась такой же, как и для давления идеального газа: р = сRT, где р – осмотическое давление, с – концентрация растворенного вещества (в молях на литр раствора), Т – абсолютная температура, R – газовая постоянная. Это означает, что ионы или молекулы в растворе ведут себя, как будто они находятся в газе, занимающем такой же объем. Таким образом, измерив осмотическое давление для раствора какого-либо вещества, можно было рассчитать его молярную концентрацию. А потом уже легко, зная массу вещества в литре раствора, рассчитать его молекулярную массу. Таким образом, явления осмоса – один из способов определить молекулярную массу неизвестного вещества. Этот метод высокочувствителен: осмотическое давление всего 0,1 %-ного раствора сахара равно примерно 0,07 атмосферы (7 ∙ 103 Па). Столб воды при таком давлении поднимется на 70 см. Поэтому метод особенно удобен для молекул биологически активных веществ, которые имеют высокую молекулярную массу, – из-за этого невозможно приготовить их раствор с высокой концентрацией.

Если выразить концентрацию в единицах моль/м3, мы получим осмотическое давление р в паскалях. Здесь у нас четыре растворенных вещества (одно из них диссоциирует), поэтому их осмотические давления складываются. Рассчитаем концентрации веществ. Хлорид натрия: 0,015/58,5 = 2,6∙10–4 моль в 0,5 л, т. е. 0,52 моль/м3; концентрация ионов будет в два раза выше, т. е. около 1,0 моль/м3. Глюкоза: 0,25/180 ≈ 0,0014 моль в 0,5 л, т. е. 2,8 моль/м3. Фруктоза (изомер глюкозы с той же молекулярной массой): около 1,1 моль/м3. Сахароза: 0,35/342 ≈ 0,001 моль в 0,5 л, т. е. 2 моль/м3. Так как осмотическое давление зависит не от природы растворенных веществ, а только от числа частиц, суммируем их общую концентрацию: 1,0 + 2,8 + 1,1 + 2,0 ≈ 7 моль/м3. Рассчитываем осмотическое давление: p = 7 ∙ 8,31 ∙ 293 = 1,7 ∙ 104 Па. Нормальному атмосферному давлению (1,013 ∙ 105 Па), как известно, соответствует столб воды высотой 9,8 м. Следовательно, рассчитанное осмотическое давление поднимет столб жидкости примерно на 1,6 м.

Есть еще порох в пороховницах

Правильный ответ – а. В течение многих веков практически единственным источником связанного азота была селитра (лат. sal и nitrum, дословно – «щелочная соль»). С древних времен была известна только индийская селитра – нитрат калия KNO3. Этот редкий минерал привозили из Индии, так как в Европе природных источников селитры не было. Индийскую селитру использовали исключительно для производства пороха. Пороха с каждым столетием требовалось все больше, а привозной селитры не хватало, и была она очень дорога.

Со временем селитру научились получать в специальных «селитряницах» из различных органических остатков, которые содержат азот. Довольно много азота, например, в белках. Если органические остатки высушить и просто сжечь, содержащийся в них азот в основном окислится до газообразного азота N2. Но если остатки подвергаются гниению, то под действием нитрифицирующих бактерий азот переходит в нитраты, которые и выщелачивали в старину в специальных кучах – буртах, а селитру называли буртовой. Делали это так. Смешивали различные органические отходы – навоз, внутренности животных, ил, болотную жижу и т. п. Туда же добавляли мусор, известь, золу. Эту жуткую смесь засыпали в ямы или делали из нее кучи и обильно поливали мочой или навозной жижей. Можно представить себе, какой запах шел от этого производства! За счет процессов разложения в течение одного-двух лет из 6 кг «селитряной земли» получали 1 кг селитры, которую очищали от примесей. Больше всего селитры получали во Франции: правительство щедро награждало тех, кто занимался этим неприятным производством.

Перлы:))

(В связи с этой фразой школьника вспоминается анекдот: что ни пытаемся делать на заводе, получается автомат Калашникова, а также серьезная, даже слишком, песня, которая при Сталине исполнялась очень часто, а при Хрущеве оказалась под запретом: «Не нужен нам берег турецкий, и Африка нам не нужна».)

Свободу катионам калия!

1. При растворении в почвенных водах нитрата калия большие количества ионов K+ снова вытесняют ионы водорода из алюмосиликатов; в результате почва фактически пропитывается слабым раствором азотной кислоты. Сильное подкисление губит растения.

2. В любом веществе, в состав которого входит калий, оксида К2О «содержится» больше, чем чистого калия, в (2 ∙ 39 + 16)/2 ∙ 39 ≈ 1,205 раза (т. е. по гипотетической реакции, например 2KCl + 1/2 O2 → K2O + Cl2, мы получили бы из KCl оксида в 1,205 раза больше, чем чистого калия – по реакции 2KCl → 2K + Cl2). Очевидно, что в химически чистом К2О его содержание равно 100 %; в гидриде калия КН содержится 97,5 % калия, или 117,5 % «в расчете на К2О»; в нитриде K3N – 107,6 %, в имиде K2NH – 101,1 %; наконец, в чистом калии «содержится» 120,5 % К2О. Конечно, эти вещества в качестве калийных удобрений не применяются.