Такие процессы сплошь да рядом протекают в гигантской лаборатории природы.
Грозовые облака в наших широтах — это бушующие водовороты, где зачастую сосуществуют градины, дождевые капли и водяные пары. Там можно найти все четыре вида равновесий: лед — пар, лед — вода, вода — пар и лед — вода — пар. Последнее самое капризное. Оно устойчиво лишь в одном случае: когда температура системы ноль градусов, а давление водяных паров над ней равно 4,58 миллиметра ртутного столба. Стоит измениться показаниям хотя бы одного из приборов — термометра или барометра, как система тотчас теряет равновесие и из трехфазной переходит в двухфазную. Например, либо лед целиком растает, либо вода замерзнет полностью.
Двухфазной системе проще сохранить равновесие. Здесь нет таких жестких ограничений.
В нашем примере фигурировала однокомпонентная система. Она состояла из одного вещества — воды, только в разных агрегатных состояниях. А ведь система может быть и многокомпонентной. Море, в котором плавает айсберг, — именно такая система. В воде растворены соли. И они способны выпадать из раствора! Правда, в море это случается редко. Разве что в Мертвом. Зато в соленых озерах Египта — регулярно. Значит, число составных частей системы будет уже не единица (вода), а два или три — в зависимости от количества веществ, осаждающихся на дно. Можно представить себе такую картину: соль под айсбергом. Перед нами система соль — лед — раствор — пар. Интересно, при каких условиях равновесие устойчиво?
В свое время Гиббс вывел правило фаз. По нему можно найти, сколько у системы степеней свободы: F = n + 2 – r. Здесь n число компонентов. Оно в нашем примере равно 2 (вода плюс соль). А r — число фаз. Их у нас 4 (кристаллы соли, раствор, лед, пар).
Посмотрим, чему равно число степеней свободы: F = 2 + 2 – 4. Нулю! И так всегда. Присутствие в системе всех возможных фаз требует уникального сочетания условий. Нарушение хотя бы одного из них выводит систему из равновесия. Одна из фаз обречена на гибель. Зато появляется новая степень свободы. Иными словами, можно варьировать один из параметров (давление, температуру, концентрацию), сохраняя равновесие между остальными фазами.
В двухкомпонентной системе соль — лед — раствор — пар концентрация раствора тесно взаимосвязана с давлением и температурой.
Известно, что точка замерзания раствора ниже, а температура его кипения выше, чем у чистого растворителя. Давление паров над раствором тоже иное. Стало быть, состояние системы зависит от ее состава (в нашем случае от концентрации растворенного вещества). С другой стороны, концентрация сама зависит от внешних условий. Столбик ртути в термометре пополз вверх — растворимость соли растет. Концентрация тоже. А солевой осадок начинает потихоньку исчезать. Равновесие нарушено. И только при одном-единственном значении состава, которое соответствует определенному сочетанию остальных параметров, в нашей системе будут сосуществовать бок о бок все четыре фазы.
Столь уникальный режим — явление редкое в природе. Обычно температура меняется в широких пределах. От дня к ночи, от сезона к сезону. И все равно система стремится к равновесию. Пусть исчезла одна из фаз. Скажем, лед растаял. Количество растворителя увеличилось. Это вызвало понижение концентрации раствора. Немедленно соль начинает переходить в раствор. Так продолжается до тех пор, пока не восстановится равновесие. Правда, уже в трехфазной системе: соль — раствор — пар. При дальнейшем нагревании система опять будет сама регулировать равновесие, изменяя состав.
Получается, что система проходит через непрерывный ряд равновесных состояний. И все условия здесь однозначно связаны между собой какой-то определенной функциональной зависимостью. Замечательна эта гармония физических и химических сил!
Но можно ли алгеброй поверить гармонию? Если да, как? И только ли в растворах? А в сплавах?
Решению этих вопросов посвятил всю свою жизнь творец физико-химического анализа Николай Семенович Курнаков. Пересмотрев бытовавший в науке взгляд на химический индивид, он раздвинул горизонты химических исследований. Десятилетиями препаративная химия занималась погоней за идеально чистыми соединениями постоянного состава. Изучение их свойств считалось главной целью химии. А смеси, сплавы, растворы, которые саботировали закон постоянных и кратных отношений, неизбежно оставались вне поля зрения химии. Между тем с практической точки зрения они представляли зачастую куда больший интерес. Однако их исследование требовало свежего подхода, где аналитическая сноровка классической химии сочеталась бы с новыми инструментальными методами физики.
Такой подход дал физико-химический анализ. Перенеся центр тяжести на исследование фазы, новые методы позволили изучать химические индивиды, даже не выделяя их из смесей в абсолютно чистом состоянии. Более того: оказалось, что некоторые химические индивиды вообще невозможно выделить из системы. Вот уж где действительно химия столкнулась с самыми настоящими призраками! То, что они реально присутствуют в системе, физико-химический анализ доказывает со всей непреложностью. А в индивидуальном состоянии они не существуют!
Свежий взгляд открыл богатейшие россыпи теоретических находок, что до поры до времени лежали незамеченными прямо под ногами у химиков.
А дал ли что-нибудь физико-химический анализ практике?
«…„Кара-Бугаз“ по-туркменски означает „черная пасть“. Наподобие пасти залив беспрестанно сосет воды моря…
…прямой долг обязывал нас войти в это устрашающее горнило Азии. Тихим ходом мы двинулись в пролив, увлекаемые течением, и отдали якорь не ранее, чем синяя морская вода сменилась мертвой и серой водой залива.
…Придурковатый наш кок отпросился искупаться, но залив его не принял. Он высоко вскидывал его ноги, и при всем тщании кок погрузиться в воду не смог. Это повеселило команду и улучшило несколько ее дурное расположение. Кок к вечеру покрылся язвами и утверждал, что вода залива являет собой разбавленную „царскую водку“…
Все берега пустынны и не имеют пресной воды. Мною не было обнаружено ни единого ручья, каковой впадал бы в это поистине мертвое море…
При подходе к заливу оный рисуется в виде купола из красноватой мглы, пугающей с давних времен мореплавателей. Полагаю, что явление это объясняется сильным испарением воды Кара-Бугаза.
Надлежит помнить, что залив окружен раскаленной пустыней и является, если будет уместно это сравнение, большим котлом, где выкипает каспийская вода.
Грунт залива весьма примечателен: соль, а под ней известковая глина.
Соль, полагаю, особенная, не того состава, что обыкновенная, употребляемая в пищу и для засола…» Так живописал залив Кара-Богаз-Гол в 1847 году путешественник лейтенант Жеребцов. В официальном донесении Гидрографическому управлению он делал категорический вывод:
«На основании всего сказанного, я позволю себе заключить, что побережья залива Кара-Бугазского, как и самый залив, лишены какого бы то ни было интереса государственного».
Мрачным пессимизмом, тоскливой безысходностью веет от каждой фразы лейтенанта Жеребцова. Нет, автора этих строк нельзя обвинить в малодушии. Бывалый моряк, человек недюжинного мужества и трудолюбия, он честно и с горечью поведал о результатах своего нелегкого путешествия.
Неужели «черной пасти» Кара-Богаза удалось навеки отпугнуть от себя человека?
Вот передо мной письмо другого исследователя, датированное 12 декабря 1921 года:
«Глубокоуважаемый и несказанно дорогой Николай Семенович…
Да, много надо сил и мужества, как Вы справедливо указали в своем письме, чтобы жить здесь и бороться за спасение научного исследования Кара-Бугаза и за возможность хотя бы отчасти выполнить намеченные работы. Мы еще в проливе и не можем выйти в залив из-за отсутствия плавучих и живых сил. Только любовь к Кара-Бугазу может заставить ехать и не доехать до него в течение 5 месяцев, надеясь все же быть там. Пока удается производить гидрологические и гидрометеорологические работы в проливе, отдельными выходами наблюдать начало выбросов соли и температуру воды в заливе, производя химические анализы проб воды и образцов соли, приносимых с берегов залива… Работ по обезвоживанию, к сожалению, не производится за отсутствием каких-либо материалов и устройств. Естественное обезвоживание в настоящее время, конечно, немыслимо: страшно сыро, и идут хотя и небольшие, но почти ежедневные дожди. Температура воздуха скачет от +12 до –2,5° при постоянных ветрах. Все же надеюсь по снятии катера с мели, на которую он сел 10.XI, отправиться в залив для производства работ».
