Юрий Фиалков - Девятый знак
Такова уж судьба ученых. Никогда не достигнуть им той точки, после которой можно было бы сказать: «Все, больше в этой области изучать нечего». Один решенный вопрос влечет за собой десятки других, которые еще требуют своих решений.
Почему вода?
Этот вопрос, в то время когда впервые исследовались свойства сверхчистых жидкостей, действовал на исследователей удручающе. Пугала полная неизвестность: с какой стороны следует «прицепиться» к воде, с тем чтобы нащупать разгадку.
Очевидно, что в чем-то, в каком-то свойстве вода резко отличается от других жидкостей. Но какое это свойство? Тут уже приходилось гадать. Иногда, за неимением других способов решить ту или иную научную проблему, гадание тоже может послужить методом исследования.
Итак, какое же свойство? Быть может, вязкость или плотность? Нет, сотни веществ имеют величины этих свойств такие же или почти такие же, как и вода. Поверхностное натяжение? Показатель преломления? Температура кипения? Температура плавления? Нет, и эти свойства у воды ничем не примечательны в сравнении со свойствами других жидкостей. Может быть, электропроводность? Нет. Дипольный момент? Нет. Теплота плавления? Тоже нет! Диэлектрическая постоянная? Стоп! Кажется, нашли!
Действительно, диэлектрическая постоянная[6] воды сильно отличается от диэлектрической постоянной других жидкостей. Для бензола, например, диэлектрическая постоянная равна 2,3. для гексана 1,9, для эфира 4,4, и так для многих других жидкостей. Для воды же эта величина равна 79. Ни одно вещество не может в этом отношении сравниться с водой. Ближе всего к воде подходит муравьиная кислота, но у нее диэлектрическая постоянная раза в полтора меньше, чем у «рекордсмена» — воды.
Но указать на диэлектрическую постоянную — это еще не значит объяснить наблюдаемые явления. И это объяснение не замедлило появиться.
Предположим, рассуждали исследователи, что молекулы всех веществ, даже тех, молекулы которых имеют дипольный момент, равный нулю, притягиваются друг к другу какими-то силами, природа которых нам еще неизвестна. Впрочем, каковы бы ни были эти силы, они, конечно, должны быть электрическими и, следовательно, должны подчиняться законам электростатического притяжения.
Если имеется какое-то чистое вещество, то что находится между какими-либо двумя молекулами этого вещества? Ничто, пустота. Следовательно, силы электрического притяжения в данном случае, в пустоте, будут наибольшими. Что же произойдет, если между двумя этими молекулами внедряется молекула какого-либо постороннего вещества? Конечно, сила взаимодействия между молекулами основного вещества значительно ослабеет. А если эта посторонняя молекула к тому же — молекула такого вещества, как вода, которая имеет наибольшую диэлектрическую постоянную, то есть в среде которой силы электростатического взаимодействия ослабляются больше всего, то легко представить, что никакого притяжения между молекулами основного вещества уже не будет.
Однако даже самые пространные рассуждения останутся рассуждениями, если не будут подкреплены экспериментами. И снова, в который раз, теоретические положения стали воплощаться в лабораторных установках.
Чистый бензол, высушенный обычным для лабораторной практики методом, поместили в специальный сосуд, в котором жидкость оказалась заключенной между двумя платиновыми электродами. Сосуд начали медленно нагревать до тех пор, пока не началось кипение бензола. Термометр показывал 80°. Иными словами, бензол вел себя так, как и полагается вести «нормальному» бензолу. Но вот к электродам подвели очень высокое напряжение. На первый взгляд, это было бессмысленной затеей: ведь бензол все равно не проводит ток. Но как только включили рубильник, кипение бензола сразу прекратилось. Пришлось нагреть жидкость еще на 8°, чтобы снова началось кипение. Бензол, помещенный между электродами, вел себя точно так, как сверхчистый бензол, подвергнутый многолетней сушке! Как только напряжение сняли, сразу температура кипения упала до нормальной. Снова подвели напряжение — снова 88°.
Почему же этот опыт подтверждает влияние воды на ассоциацию молекул бензола? В «обычном» бензоле находится сравнительно много воды: одну из 50–60 молекул его можно считать окруженной тончайшим слоем — в одну молекулу — воды. Эти молекулы воды очень похожи на магнитики.
Посмотрите на рисунок: маленькие и поэтому обладающие сильным электроположительным полем атомы водорода сосредоточены в одном конце молекулы, атом кислорода с двумя отрицательными зарядами — в другом. А рядом изображена молекула бензола. Стоит только посмотреть на нее, и сразу станет понятным, почему бензол не обладает дипольным моментом: шесть симметрично расположенных атомов углерода и столько же атомов водорода уравновешивают заряды друг друга.
Так вот, при подведении высокого напряжения «магнитики» воды отрываются от молекул бензола, водная оболочка разрушается и молекулы бензола приобретают способность к ассоциации. Вот почему сразу подскакивает температура кипения жидкости.
Итак, на вопрос: «Почему вода?» — мы ответили. Но тут же автор со вздохом должен сообщить, что, по правде говоря, этот вопрос был самым легким.
Ответить на него, как говорят, ничего не стоило. Хуже другое, что этот вопрос сразу вызывает еще несколько других. Однако роптать здесь не приходится. Таково свойство настоящей науки.
А вопросы эти следующие (у внимательного читателя они, очевидно, уже вертятся на языке). Вопрос первый: о какой это водной оболочке может идти речь, когда даже в «просто» чистом бензоле одна молекула воды приходится на 100–200 молекул основного вещества? Если же бензол подвергают специальной осушке, тем более многолетней, то это соотношение резко изменяется, причем не в пользу воды. Там уже одна молекула ее приходится приблизительно на один миллион молекул бензола.
Вопрос второй мы так и не выяснили: что же все-таки заставляет собираться в агрегаты бездипольные молекулы веществ, находящихся в сверхчистом состоянии?
Интересные вопросы? Безусловно, интересные. Тем более, что неизвестно, как на них отвечать. Сегодня, в 1963 году, физика и химия пока еще не могут дать ответы на эти вопросы. Вот оно — поле деятельности для тебя, сегодняшний школьник. Оказывается, и в химии можно найти немало таких уголков, исследование которых не менее интересно, трудно и важно, чем достижение полюса недоступности или открытие нового архипелага.
Но мы еще далеко не полностью исчерпали круг вопросов, ради которых я завел речь о самых замечательных свойствах сверхчистых веществ. О тех событиях, которые, собственно говоря, и заставили ученый мир вспомнить о рассказанной только что истории, речь еще впереди. Итак…
Иголка в копне сена
Кто позавидует человеку, который темной безлунной ночью обязательно должен найти в копне сена затерявшуюся иголку? Тут любой остановится и сокрушенно покачает головой? Ошибаетесь! Я знаю немало таких химиков, которые сказали бы, что этот, конечно, вымышленный мной чудак занимается игрой в бирюльки. А в ответ на ваше недоуменное пожатие плечами немедленно доказали бы свое утверждение ясным языком арифметики.
Сколько может весить копна сена? Килограммов 400. А иголка? Ну, скажем, одну десятую грамма, или 10-4 килограмма. Если 400 килограммов принять за 100 %, то сколько будет составлять 0,1 грамма?
4·102 — 100%
10-4 — x
x = ((10-4·100)/(4·102))·0,25·10-4 = 0,000025 %
Итак, иголка составляет 25 миллионных долей процента от веса копны. Химик сказал бы, что упомянутый нами гражданин оперирует в пределах пятого десятичного знака. А для химии определение таких количеств примесей, которые скрываются за пятым десятичным знаком, является давно пройденным этапом. Вот, скажем, шестой или седьмой десятичный — тут надо поработать. А пятый доступен при желании почти каждому и при сравнительно небольшой затрате труда.
Но если бы химия ограничилась только шестым или седьмым знаками!
«Как! — скажет читатель. — Неужели потребовались еще более точные определения? Неужели нужно было пойти еще дальше?»
Да! Гораздо дальше. И если бы только это, то дело не представлялось бы таким сложным.
Когда мы говорили о продвижении химии по крутым ступенькам десятичных знаков, мы имели в виду аналитическое определение примесей. К середине 50-х годов техника потребовала от химии не только определять количества примесей, но и отделять эти примеси. А это далеко не одно и то же. Одно дело знать, сколько примешано к данному основному веществу того или иного элемента, а совсем другое — освободиться от этих примесей, выделить их, да так, чтобы еще не внести новых загрязнений. И эта вторая задача много сложнее первой.
