Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2004 № 09
Остается понять, сколько чего было изначально. Для этого Либих взвешивал тот или иной поглотитель до и после реакции на обычных лабораторных или аптекарских весах. И по разнице масс определял количество того или иного газа в смеси. Ничем же не поглощенный азот экспериментатор собирал в отдельной емкости и измерял объем собранного газа.
Схема прибора Свентославского. При кипении раствора в сосуде левый термометр орошается кипящей жидкостью, а правый измеряет температуру паров растворителя. Разность их показаний подставляют в специальную формулу, по которой и вычисляют молекулярную массу исходного вещества.
Говорят, он так поднаторел в своих опытах, что ухитрялся, взяв всего лишь 0,5 г исходного вещества, проводить анализ с точностью 0,3 %, или 0,0015 г.
Впрочем, хотя установку Либиха по сей день используют в лабораторной практике, до взвешивания отдельных молекул еще далеко. Несмотря даже на то, что впоследствии лауреат Нобелевской премии, австриец И. Прегль создал лабораторные микровесы точностью до 1 мг, а сам анализ проводится автоматически, и процентный состав той или иной смеси печатается на бумажной ленте или высвечивается на экране компьютерного дисплея. Тем не менее, первый шаг был сделан!
Не испарим, так заморозим!
Более точно удается определять молекулярную массу газов по ее объему. Это стало возможным после того, как в 1811 году итальянский химик А. Авогадро открыл закон, носящий его имя. Согласно ему, «грамм-молекула любого газа занимает при нормальных условиях объем в 22,4 литра».
Обычно в лабораториях при этом используют прибор Свентославского, представляющий собой довольно сложную конструкцию из стекла, обращаться с которой приходится с особой осторожностью. А поскольку далеко не все вещества легко превращаются при нагревании в пар, то для анализа особо тугоплавких веществ используют тот факт, что с повышением содержания примеси температура плавления смеси понижается. Это правило используют и для самой очистки вещества. Стержень из него расплавляют на узком участке, а затем медленно передвигают нагреватель, смещая таким образом зону плавления. И все примеси постепенно смещаются к одному концу стержня.
Такой способ зонной плавки, например, очень выручил создателей первых полупроводников, которым были нужны материалы исключительной чистоты (99,999 %), но и с его помощью отдельную молекулу не взвесить.
Примерно так выглядят на графике диаграммы рассеивания «ядер» — молекул разного удельного веса; сильнее всего отклонятся в магнитном поле наиболее легкие частицы.
Положение не спасло и предложение пойти «от обратного». Некоторые вещества при анализе теперь не расплавляют, а, напротив, замораживают. И замеряют температуру замерзания смеси с помощью, например, термометра Бекмана — длинного лабораторного градусника, устроенного так, что на его шкале отмечены не только десятые, но даже тысячные доли градуса.
При этом известно, что если чистая вода замерзает при 0 °C, то соленая — при более низкой температуре. И чем выше соленость, тем ниже точка замерзания. Таким образом, кстати, удается довольно точно замерять не только соленость, скажем, проб морской воды, но и опреснять ее. Известно, например, что в природе довольно часто ледовые поля Северного Ледовитого океана состоят из пресного льда, с вмороженными в него капсулами особо соленой и потому не замерзшей воды.
Химиков не устраивает лишь то, что для большей точности анализируемую жидкость приходится постепенно охлаждать несколько раз, на что обычно уходит не менее 2–3 часов. Так что ни о какой оперативности анализа не может быть и речи. Да и вещества должно быть никак не менее нескольких сот миллиграммов.
Сумасшедшая стрельба
Даже самые умудренные опытом химики были поражены, когда физики предложили им использовать для анализа и взвешивания вещества своего рода… пушку. Но согласились, поняв суть дела.
Представьте себе кучу ядер из разных материалов, сваленных вперемешку — каменных, чугунных, даже деревянных. Их, конечно, неплохо было бы рассортировать. И вот некий сумасшедший артиллерист-вояка предлагает сделать это следующим образом.
«Все ядра хоть и одинакового диаметра, но различного веса, — рассуждает он. — Самые легкие — деревянные, затем следуют каменные и, наконец, чугунные. Стало быть, если каждый раз при выстреле мы будем закладывать в пушку одно и то же количество пороха, то дальше всех полетят деревянные ядра, ближе упадут каменные и, наконец, совсем неподалеку — чугунные. Остается расставить на соответствующей дистанции ящики и ловить в них ядра»…
Идея, казалось бы, сумасбродная. Хотя бы потому, что наш артиллерист не учитывает разброса ядер при стрельбе, сопротивления воздуха и многих других факторов. Но… Примерно так ведь и работает современный масс-спектрограф. Берется ничтожная крупинка вещества и испаряется в камере, где создан почти космический вакуум (давление одной около стотысячной доли миллиметра ртутного столба). В таких случаях, например, многие органические вещества — наиболее сложные для анализа — превращаются в пар, состоящий из отдельных не связанных друг с другом молекул, даже без нагрева.
Потом этот пар облучают пучком электронов. Сталкиваясь с молекулами, электроны, словно ядра, вышибают из молекул своих собратьев, превращая молекулы в положительно заряженные ионы. В результате такой операции масса самой молекулы изменится лишь на величину массы электрона, а она ничтожна, зато она приобретет электрический заряд, с помощью которого ее легче отсортировать от других.
С этой целью ионы сначала разгоняют электрическими полями, а потом пропускают поперек силовых линий магнитного поля. При этом возникает сила Лоренца, пропорциональная заряду, скорости и напряженности поля, а также массе иона. Чем ион легче, тем сильнее он отклонится под действием магнитного поля. Молекулы-ядра разной массы попадут в различные «ящики»-секции специальной мишени, выбивая из нее опять-таки электроны. Возникает вторичный ток, который затем усиливают и фиксируют либо на фотопленке или на ленте самописца, либо на дисплее компьютера.
В итоге получаются графики с кривыми распределения Гаусса, по которым и судят, какие молекулы самые легкие, а какие — самые тяжелые. При этом аналитики могут по показаниям масс-спектрографа определить массу даже одной-единственной молекулы.
Но для чего все же это нужно? Наверное, не для того, чтобы удовлетворить наше любопытство: верно, масс-спектрограф используется для решения многих как сугубо научных, так и прикладных задач.
Например, несколько лет тому назад палеонтологи нашли окаменевшую раковину моллюска, жившего около 120 млн. лет тому назад, и решили узнать, в каких условиях он жил. Для этого с раковины слой за слоем, буквально по микрону, стали соскабливать известняк, из которого состоит раковина. Затем, нагревая, разложили его на составляющие, в том числе и на двуокись углерода. А уж по количеству содержания в двуокиси изотопа кислорода 18О стало можно судить о том, насколько было тепло в тот или иной период. Ведь известно: чем холоднее вода, в которой жил моллюск, тем больше изотопа в его панцире. Таким образом, удалось узнать, что родился моллюск весной, прожил четыре года. Причем весна была на редкость холодной…
Аналогичным образом анализируя воздух, заключенный в микроскопических капсулах, которые содержатся в кернах-образцах льда, добываемого с глубин в десятки, а то и сотни метров в Антарктиде, ученые надеются узнать об особенностях климата, царившего на нашей планете сотни миллионов лет назад. Уже сегодня ученые, например, узнали, что нынешнее глобальное потепление — не единственное в своем роде. Примерно такое же было около 40 000 лет тому назад.
А как вам нравится, например, такое практическое применение масс-спектрографа? Ныне отыскивают преступников по их следам, выявляют наркотики, взрывчатку, спрятанные в багаже пассажиров, специально обученные собаки-ищейки. Однако они быстро устают, не могут работать при сильной жаре, вблизи автозаправок, где сильно воняет бензином и т. д. Поэтому в скором будущем их заменят портативные «электронные носы», которые по чувствительности на определенные вещества могут в 1000 раз превосходить ищеек, вылавливать из воздуха буквально отдельные молекулы примеси…
С.СЛАВИН
ДОСЬЕ ЭРУДИТА
Прольется вулкан золотым дождем?
Время от времени удивительные подарки способны преподносить недра нашей планеты. Так американцы из штата Орегон ждут не только очередного извержения одного из находящихся поблизости вулканов, но и… золотого дождя.
