Глазами Монжа-Бертолле

Мы оставили рассол, плещущийся в «черной пасти», в состоянии равновесия раствор — пар. Между тем внутри одной лишь жидкой фазы этой системы идут свои равновесные процессы, химические: 2NaCl + MgSO₄↔MgCl₂ + Na₂SO₄.

Почему бы не использовать для этой реакции формулу закона «действующих масс»? Пожалуйста, вот она:

K = [MgSO₄][NaCl]²/[MgCl₂][Na₂SO₄].

Увы, на деле все обстоит гораздо сложнее. Каждая из этих солей — прекрасный электролит. Значит, все они в воде диссоциируют. Например, Na₂SO₄↔2Na⁺ + SO₄^2–. Разумеется, и для такой реакции можно написать соотношение: K = [Na₂SO₄]/[Na⁺]²[SO₄^2–]. Но глауберова соль распадается на ионы полностью. Что же, ставить в числителе нуль? Очевидный абсурд!

Допустим теперь, что часть сернокислого натрия в недиссоциированном состоянии. Иными словами, K не равно нулю. Это вполне реально: выпадает же Na₂SO₄ на дно Кара-Богаз-Гола в виде осадка! Но в такой двухфазной системе раствор над солью должен быть насыщенным. Сернокислый же натрий хорошо растворим. Да и другие его спутники в пучинах Кара-Богаза не хуже. Стало быть, в рассоле всегда, даже если он не насыщен, присутствует уйма ионов в больших концентрациях. И они мешают выполнять друг другу закон действующих масс. По крайней мере в той простейшей формулировке, с которой мы познакомились. Приходится вводить поправки. Расчеты становятся более громоздкими.

Конечно, химики в большинстве случаев справляются с математическими трудностями. Но, к сожалению, рассказ о том, как они это делают, отнял бы слишком много места. Сейчас важно усвоить лишь одно: даже за самым бесхитростным уравнением реакции прячется сложное взаимоотношение многих сил. Скорость и направление всякого процесса зависит от разных факторов. Тут и температура, и давление, и присутствие катализатора, и число фаз в системе, и рождение новых фаз, и степень диссоциации, и влияние веществ-соседей — всего не перечесть. Ничего нет удивительного, что в приближенных вычислениях приходится опускать кое-какие третьестепенные детали. Удивительно то, как химия умудрилась проникнуть в этот сложный мир физико-химических равновесий и описать его лаконичным и емким языком математики! И если нынешний химик с законной гордостью может сказать: «Поверил я алгеброй гармонию», — то первое слово признательности за мощное математическое вооружение он обратит к основоположнику физико-химического анализа.

Тщательное изучение результатов экспедиции, дополнительные лабораторные исследования позволили Курнакову вскрыть механизм садки глауберовой соли в каспийском заливе. Летом рассол нагрет до 18–20 градусов. Он далек от насыщения. Зато осенью и зимой при температуре плюс 5,5 градуса раствор становится насыщенным. Но не по отношению ко всем компонентам сразу. Лишь к глауберовой соли. Иначе в осадок выпадала бы смесь солей. А этого не происходит.

«Принимая во внимание, — писал Курнаков, — что рассол Кара-Бугаза представляет равновесную систему, состав соляной массы которой сохраняется приблизительно постоянным в течение современного периода ее существования, мы приходим к весьма важному в практическом отношении заключению, что глауберова соль в Кара-Бугазе кристаллизовалась прежде и выделяется теперь чистой, без подмеси хлористого натрия… Зная величину поверхности и среднюю глубину Кара-Бугаза, мы вычисляем общее количество глауберовой соли, которая может выделяться в заливе, равным 6 миллиардам тонн. Таким образом, Кара-Бугаз представляет собой, несомненно, величайшее месторождение сернонатриевой соли в мире».

В 1920 году о сказочных богатствах Кара-Богаз-Гола узнал Ленин. Правительство поддержало предложения Кара-Бугазского комитета, созданного при Институте физико-химического анализа под председательством Курнакова. На исследовательские работы было отпущено 40 тысяч рублей золотом. 40 тысяч! Из скудной казны молодого Советского государства. Так в 1921 году была снаряжена экспедиция Подкопаева. За три года научной разведки скопилась колоссальная коллекция экспериментальных данных.

Работы Курнакова подтвердили предположение, что глауберова соль в Кара-Богаз-Голе относится к числу периодических минералов. Таких, которые то появляются, то исчезают. К зиме соль ложится могучим пластом на площади в 18 тысяч квадратных километров. Холодные штормовые волны выбрасывают ее далеко на берег. А пенистые языки теплого летнего прибоя слизывают обратно. Но если кристаллы соли залеживаются на солнце, происходят интересные фазовые превращения. Глауберова соль (она же мирабилит) представляет собой десятиводный кристаллогидрат. Высыхая, она переходит в обычный сернокислый натрий Na₂SO₄.

Гидратные формы существуют не только в кристаллическом состоянии. Они встречаются и в растворах. Это открыл Д. И. Менделеев.