Илья Леенсон - Удивительная химия
Когда горит свеча или факел, светятся мельчайшие раскаленные частички угля в пламени. Их температура не так высока, поэтому пламя красноватое. В пламени природного газа, если воздуха для горения достаточно, раскаленных частичек угля практически нет, поэтому такое пламя почти бесцветное. Когда в XIX веке появились первые газовые фонари, их пламенем сильно нагревали специальные «калильные сетки», изготовленные из оксидов тория и других редких металлов. Раскаленные сетки испускали яркий свет, которым освещали по ночам улицы. Вечером специальные рабочие должны были зажечь каждый фонарь, а утром — погасить его. Конечно, это было неудобно. С появлением достаточно дешевой электроэнергии инженеры, разрабатывая конструкцию электрической лампочки, перебрали массу различных материалов для светящегося волоска: ведь чем сильнее его нагреть током, тем ярче он будет светиться, тем ближе его свет будет к дневному. После многих неудач остановились на тугоплавком металле вольфраме, который плавится при очень высокой температуре (+3420 °C). Но это все равно намного меньше, чем температура поверхности Солнца (+6000 °C). Кроме того, спираль нельзя очень сильно нагревать, так как задолго до своего плавления вольфрам начинает испаряться и лампочка быстро перегорает. Первые лампочки светили тусклым красноватым светом, а срок службы у них измерялся всего лишь десятками часов. Чтобы поднять температуру спирали, лампочки стали заполнять газами, которые с вольфрамом не реагируют. Молекулы газов чисто механически мешают атомам вольфрама покидать спираль. Чем тяжелее молекулы газа, тем лучше они справляются со своими обязанностями. Современные криптоновые лампочки светят намного ярче, а гореть могут тысячи часов (такие лампочки легко отличить по их грибовидной форме).
Однако и это не удовлетворило ученых. Они научились «залечивать» вольфрамовую спираль в том месте, где она становится тоньше и вот-вот может перегореть (как известно, «где тонко, там и рвется»). Конечно, никто лампочку для этого не разбирает: «лекарство» закладывают в нее еще на заводе. Это «лекарство» — крошечный кристаллик обыкновенного иода, водно-спиртовый раствор которого есть в каждой домашней аптечке. Как же иод «лечит» раскаленную спираль? Химики обнаружили, что если в лампу ввести немного йодных паров, они образуют с атомами вольфрама, которые уже покинули спираль, летучие химические соединения. Когда эти соединения случайно оказываются вблизи раскаленной спирали, они от сильного жара распадаются, атомы вольфрама возвращаются куда им положено — на спираль, а молекулы иода, оставаясь в газовой фазе, начинают искать новых «беглецов», чтобы водворить их на прежнее место. Благодаря этой хитрости температуру вольфрамовой спирали в таких лампах (их еще называют галогенными) можно значительно повысить. Вы, возможно, видели, насколько ярче горят галогенные лампы (например, в фарах новых моделей автомобилей, в кинопроекторах) по сравнению с обычными.
Кстати, с помощью такого «иодидного» метода сейчас получают некоторые металлы очень высокой степени чистоты. Для этого загрязненный металл нагревают в парах иода, при этом образуется летучее соединение иода только с атомами данного металла. Полученное газообразное соединение переносят в другую часть реактора, где его вводят в контакте раскаленной проволокой из того же металла, но только предварительно хорошо очищенного. Когда летучее соединение металла с иодом начинает на этой проволоке разлагаться, выделяющиеся пары иода отводят в то место реактора, где находится загрязненный металл, а на проволоке начинают расти кристаллы выделившегося металла очень высокой чистоты.
Возбуждать электроны в атомах, чтобы они начали испускать свет, можно и по-другому. Например, в лампах дневного света свет испускают ртутные пары, а энергию атомы ртути получают за счет электрического разряда. Если трубку для такой лампы сделать из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовый свет, то лампа будет гореть бледно-синим светом, испуская также невидимые ультрафиолетовые лучи, которые убивают микробов. Такие лампы называют бактерицидными, их устанавливают в больницах и поликлиниках и периодически включают для стерилизации помещений.
Если трубку для лампы сделать из обычного стекла, но покрыть ее изнутри специальным белым порошком — люминофором (о люминофорах мы еще поговорим), то этот порошок, поглощая вредный для глаз ультрафиолет, сам начнет светиться белым светом. Иногда этот свет имеет приятный желтоватый оттенок, который придает ему сходство с солнечным светом, соответственно бывают люминесцентные лампы дневного, белого, тепло-белого и холодно-белого света. Эти лампы значительно экономичнее ламп накаливания: современная 11-ваттная люминесцентная лампа дает света столько же, сколько 75-ваттная лампа накаливания! Срок службы люминесцентных ламп также в несколько раз больше. Еще одно преимущество — давление паров ртути в люминесцентной лампе низкое, поэтому ее трубка чуть теплая, случайно до нее дотронувшись, невозможно обжечься, значит, уменьшается опасность возгорания или оплавления пластмассового светильника. Но есть у люминесцентных ламп и неприятная особенность: в них содержится немного ртути, и когда такие лампы просто выбрасывают на свалку, где они бьются, это приводит к загрязнению воздуха и почвы ядовитым металлом.
Если к парам ртути в лампе добавить под давлением инертный газ, а трубку сделать из тугоплавкого кварцевого стекла, можно значительно повысить температуру и получить лампу типа «горное солнце». Именно такими лампами нас облучают в поликлиниках, когда врач назначает «кварц». Сейчас кварцевые ультрафиолетовые лампы можно купить в магазине и использовать для загара в зимнее время (особенно в северных районах страны, где мало естественного солнечного ультрафиолета). Однако необходимо очень строго придерживаться инструкции, чтобы не получить ожога (особенно надо беречь глаза), а еще лучше — проконсультироваться с врачом: не всем искусственный ультрафиолет полезен.
Ртутные лампы высокого давления, наподобие тех, что применяют в кабинетах физиотерапии, исправно работают и для освещения улиц. Это двойные лампы: внутри у них кварцевая лампа, а снаружи — большой стеклянный баллон, также покрытый изнутри люминофором, который излучает свет, несколько напоминающий дневной. Такие лампы могут иметь мощность в десятки киловатт; их используют для освещения площадей, стадионов, железнодорожных узлов — везде, где требуется создать хорошее освещение на большой площади. Для этой цели используют также ксеноновые лампы сверхвысокого давления (рис. 6.1). В такой лампе электрический разряд создается между двумя массивными вольфрамовыми электродами, которые впаяны в кварцевый баллон. Лампа заполнена тяжелым газом ксеноном. Она излучает не только в видимой, но и в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и потому используется в качестве источника света в различных приборах.
Рис. 6.1. Горящая ослепительно белым светом ксеноновая лампа сверхвысокого давления
Многие жители больших городов заметили, что в последние годы небо по ночам имеет красновато-оранжевый цвет, особенно в облачную погоду. Это происходит потому, что для освещения улиц и площадей стали использовать натриевые лампы, в которых светятся пары не ртути, а натрия. Свет, излучаемый раскаленными парами натрия, знаком любой хозяйке, у которой хоть раз «убегал» и попадал на горящую конфорку посоленный суп. Желтый свет паров натрия довольно сильно отличается от солнечного света, поэтому к натрию добавляют другие металлы, что делает свет желто-оранжевым. Натриевые лампы экономичнее, так как при той же затрате электроэнергии дают значительно большую освещенность.
Люминофоры — источники «холодного» светаХимики синтезировали множество соединений, которые могут светиться, оставаясь холодными. Такие вещества называют люмино форами (от латинского lumen — «свет» и греческого «форос» — «несущий»). Чтобы люминофор светился, его атомы надо возбуждать, т. е. подводить энергию. Делать это можно разными способами. Самый распространенный способ возбуждения — светом, видимым или ультрафиолетовым. Общее название свечения, вызванного таким способом, — фотолюминесценция. У нее есть две разновидности. Так, если возбужденное светом вещество излучает свет очень короткое время — порядка 10-8—10-9 секунды после поглощения возбуждающего фотона, то такое излучение называется флуоресценцией. Свое название этот вид излучения получил от названия минерала флюорита, у которого данное явление было впервые обнаружено. Кристаллы флюорита довольно редки, однако многие из вас, возможно, видели синеватое свечение кристаллов нафталина на солнечном свету, зеленоватое свечение растворов флуоресцсина или эозина (эти красители иногда добавляют к шампуням и экстрактам для ванн), яркое свечение бакенов, цветных афиш, деталей одежды, специальных красок для фломастеров (маркеров) и т. д. Все они содержат так называемые дневные флуоресцирующие красители — сложные органические соединения, поглощающие ультрафиолетовые и синие солнечные лучи и излучающие зеленые, оранжевые или красные. Школьник младших классов, ранец которого окрашен яркой флуоресцентной краской, может с меньшей опасностью переходить дорогу, так как шофер увидит его издалека. Еще не так давно в метрополитене некоторых городов использовались турникеты, принцип действия которых основывался на эффекте флуоресценции. В турникеты тогда надо было опускать круглые пластмассовые жетоны, в которые был подмешан флуоресцирующий краситель. Внутри турникета была спрятана ртутная лампочка — источник ультрафиолета, под действием которого пролетающий мимо жетон на мгновение вспыхивал яркой флуоресценцией — в Москве сине-голубой, в других городах она могла быть иного цвета. Специальный фотоэлемент реагировал на эту вспышку и открывал проход. Глядя в щель автомата, можно было заметить эту яркую вспышку.
