Юрий Фиалков - Свет невидимого
Вот хотя бы всем известное своей нерастворимостью или, будем теперь применять более верный термин, известное своей малой растворимостью соединение сернокислый барий (помните, по учебнику химии, осадок этого соединения немедленно выпадает, если слить растворы хлористого бария и серной кислоты). Действительно, в таблице написано, что растворимость этого вещества составляет двадцать пять десятитысячных долей грамма в литре воды. Мало? Не говорите так, потому что сейчас мы подберем примеры повыразительнее.
Гидроокись цинка — растворимость в литре воды 3·10-7 грамма (три десятимиллионных доли грамма). Предел? Ничуть. Сульфид свинца — растворимость 10-15 грамма в литре. Сульфид ртути — 10-23 грамма. Сульфид меди — 10-27 грамма.
Возьмем сравнительно (сравнительно!) неплохо растворимое из перечисленных веществ — гидроокись цинка. Представьте себе, что вы химик и что перед вами поставили задачу определить растворимость этого вещества. Как решают эту задачу? Известно как: берут какой-либо объем раствора и упаривают его досуха, а оставшийся твердый осадок взвешивают.
Значит, можно взять литр раствора гидроокиси цинка, упарить его досуха, и… ничего не получится. Потому что образовавшийся осадок заметить будет невозможно: три десятимиллионные доли грамма не разглядишь даже в самый сильный микроскоп и, уж конечно, не взвесишь ни на каких весах.
Стало быть, надо взять раствора побольше: литров этак десять. При этом вы получите сухого остатка три миллионные доли грамма — в 10 раз больше, чем при работе с литром раствора, а по сути такое же «ничто», как и прежде.
Очевидно, придется брать 100 литров раствора. Это уже солидная бочка. Но, упаривая досуха эту бочку, мы получим всего несколько стотысячных долей грамма. Такую малость тоже не взвесить. Да, плохи дела химиков! Приходится манипулировать с тысячами литров. Это уже внушительная цистерна. И, только испарив всю воду, можно будет получить… три десятитысячные доли грамма осадка — величину, которую, хотя и не очень уверенно, смогут зафиксировать аналитические весы.
Читатель, наверное, совсем опечалился, представив себе и впрямь невеселую картину: кипит посредине институтского двора котел, мечутся между громадной цистерной и котлом озабоченные химики, таща ведра, наполненные исследуемым раствором. Идет пар из котла, идет пар от вконец замотавшихся ученых. Грустно, очень грустно. И все это для того, чтобы узнать, какова растворимость плохо растворимого соединения.
Могу успокоить читателя. Конечно, дело обстоит далеко не столь мрачно. Химики идут иным путем, который предполагает гораздо более экономный расход времени, труда и… дров.
Не стану рассказывать, как выходили из положения ученые тогда, когда они еще не имели возможности пользоваться радиоактивными изотопами. Впрочем, выходом это вряд ли можно было назвать. Конечно, можно из Москвы во Владивосток добираться пешком. Но «Ту-154» все-таки удобнее.
При определении растворимости радиоактивные изотопы в сравнении с прочими методами то же, что реактивный лайнер в сравнении с пешеходом. Судите сами.
К веществу, растворимость которого хотят определить, примешивают немного радиоактивного индикатора. Так, к гидроокиси цинка можно подмешать немного гидроокиси, образованной искусственным радиоактивным изотопом цинка. «Немного» сказано не из-за пренебрежительной приблизительности. Здесь радиоактивного цинка и впрямь немного: миллионная доля, а то и меньше.
После этого определение растворимости становится легким, можно сказать, даже приятным делом. Осадок, меченный радиоактивным цинком, взбалтывают в определенном количестве воды до тех пор, пока не получат насыщенный раствор гидроокиси (не будем забывать, что этот насыщенный раствор содержит всего 3·10-7 грамма вещества в литре). При растворении гидроокиси цинка в раствор перейдут как молекулы, содержащие обычный цинк, так и молекулы с радиоактивным изотопом. Ничего, что вторых в растворе будет гораздо меньше, чем первых. Для чувствительных счетчиков Гейгера — Мюллера это не помеха.
Если знать соотношение, в котором примешали к обычному цинку цинк радиоактивный, то, определяя радиоактивность раствора, можно без труда рассчитать содержание всего цинка в растворе. Ну, а вычислить отсюда растворимость гидроокиси — дело одной минуты. Вот и все. И рад бы рассказывать дольше, да нечего. Радиоактивность и здесь упростила все до предела.
Но коль скоро мы завели речь об определении малых количеств вещества, надо будет рассказать еще об одной важной роли меченых атомов.
Соберите в одном зале приглашенных наудачу 100 химиков и спросите их, что они предпочитают: приступить к разделению смеси соединений ниобия и тантала или отправиться сейчас на товарную станцию целую ночь таскать мешки с цементом. Можете добавить, что станционный транспортер испорчен, половина мешков дырявые и что вообще ожидается проливной дождь с градом. Не сомневаюсь, что после секундной паузы из всех ста глоток вырвется дружный крик:
— На станцию!..
Стремление химиков скоротать ночь, таская под дождем дырявые пятипудовые мешки с цементом, мне близко и понятно. Все представляют себе, что носить мешки, когда нет подходящих условий, — занятие не из веселых. Но далеко не каждый знает, что разделение соединений двух элементов, очень похожих по свойствам, — работа куда более изнурительная.
Я привел в качестве примера лишь одну пару: ниобий — тантал. А ведь таких близнецов в Периодической системе элементов как «алмазов в каменных пещерах» той полуденной страны, откуда прибыл индийский гость. Скандий — иттрий, цирконий — гафний, все 15 редкоземельных элементов, многие заурановые элементы и так далее, и так далее.
Разумеется, для каждой из таких пар разработаны методы разделения. И, конечно же, я не убежден, что каждый из придуманных мною сотни химиков без колебания предпочтет поменять пусть и тяжелый лабораторный эксперимент на ненастную ночь у товарняка. Без известной гиперболизации здесь не обошлось. Но это тот самый случай, когда в шутке следует искать свою, причем достаточно большую долю правды. Потому что действительно приходится затрачивать уйму времени и труда (не столько даже тяжелого, как однообразного и скучного — что гораздо хуже) на то, чтобы отделять один элемент от другого, походящий на него химическими свойствами.
Основная трудность манипуляций по разделению элементов — необходимость после каждой операции проводить химический анализ, чтобы определить, в какой степени удалось один элемент отделить от другого. Сказанное в этой фразе — академично по содержанию. У схожих по свойствам элементов схожи и химико-аналитические реакции. Поэтому, определяя, насколько удалось разделить эти элементы, приходится обращаться к весьма сложным и очень трудоемким методам анализа, отнимающим много времени.
Применение радиоактивных индикаторов — меченых атомов — если и не превращает операции разделения в увеселительное времяпрепровождение, то делает из них обычную по сложности химическую работу.
Вот как это выглядит. К смеси соединений двух элементов — близнецов, которых предстоит разлучить, — прибавляют немного соединения одного из этих элементов, но не обычного, а радиоактивного. Теперь аналитические определения заменяются измерением радиоактивности, а это во всех отношениях менее трудоемкая операция.
В самом деле. Вот произвели несколько манипуляций со смесью и получили две фракции: одна из них соответствует соединению первого элемента, другая — второго. Но ведь необходимо решить, есть ли в первой фракции примесь второго элемента, а во второй — примесь первого. Предположим, что радиоактивной меткой был «протаврован» первый элемент. Тогда исследователь подносит вторую фракцию к счетчику Гейгера — Мюллера. И если эта фракция загрязнена посторонним элементом, тотчас же часто замигают лампочки и дробно затрещит стрелка: прибор сигнализирует — радиоактивность есть!
Тогда приступают к операции разделения снова. На этот раз вторая фракция будет показывать меньшую радиоактивность. В третий раз радиоактивность будет совсем мала. И вот, наконец, на какой-то энный раз, когда мы поднесем пробу к счетчику, тот будет безмолвствовать. Все — элементы разделены полностью! А коль они разделены, то рассказ о них можно окончить.
* * *
Из толстой книги под названием «Химия и радиоактивность» прочитано всего несколько страниц. Но и они показали — не могли не показать! — что эти две науки, объединившись, намного расширили наши представления об окружающем мире. А ведь это только начало…
Глава V
